Miles de científicos y aficionados de todo el mundo, incluido México, no pudieron dormir bien la noche del 24 de diciembre, y no fue por las celebraciones de la Nochebuena sino porque en la mañana del 25, a las 06:30 de la mañana, tiempo de la Ciudad de México, despegaría la misión espacial más compleja de los últimos 30 años: el lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb (JWST, por sus siglas en inglés), el más grande y sofisticado construido hasta ahora.
La preocupación nocturna y la desmañanada del día siguiente de los mil 200 especialistas de 14 países que participaron en la construcción y de otros dos mil que usarán el telescopio el primer año no era para menos: tuvieron que pasar 30 años de planeación, 19 años de desarrollo, la inversión de 11 mil millones de dólares (231 mil millones de pesos), y retrasos de casi 10 años, para que el James Webb –el más poderoso jamás construido hasta ahora por la Administración Nacional Aeronáutica y el Espacio de Estados Unidos (NASA)– fuera lanzado exitosamente al espacio desde la base espacial Kourou de la Agencia Espacial Europea (ESA), en la Guyana francesa, Sudamérica.
“Representa la ambición que mantienen la NASA y nuestros socios de impulsarnos hacia el futuro”, expresó Bill Nelson, el administrador de la NASA, luego del despegue triunfante. “La promesa de Webb no es lo que sabemos que descubriremos, es lo que aún no entendemos o no podemos comprender de nuestro Universo. ¡No puedo esperar a ver qué descubre!”.
El James Webb es la misión científica y tecnológica más compleja de la NASA, y será el instrumento de exploración del cosmos más importante de los próximos 10 años, del cual dependerá en buena parte el futuro del campo de la astronomía espacial.
El proyecto es liderado por el Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial en Baltimore, la Dirección de Misiones Científicas de la agencia y el Goddard Space Flight Center de la NASA. Al inicio del proyecto se estimó que el observatorio tendría un costo de mil millones de dólares, pero su presupuesto se multiplicó por más de diez. De los casi 11 mil millones de dólares totales, 9 mil 700 fueron aportados por la NASA, 810 millones por la Agencia Espacial Europea, y la Agencia Espacial Canadiense contribuyó con otros 160 millones de dólares.
Está equipado con detectores sensibles al espectro radioeléctrico infrarrojo, invisible al ojo humano. Es 100 veces más potente que el Hubble y cuenta con tecnologías de vanguardia sin precedentes que permitirán observar algunos de los objetos más lejanos del cosmos.
Su espejo primario esta compuesto por 18 segmentos hexagonales de berilio teñidos de oro configurados en forma de panal, con 6.5 metros de diámetro: casi tres veces el tamaño del telescopio espacial Hubble (de 2.5 metros). Su óptica adaptativa permite un movimiento independiente y coordinado de todas las piezas del espejo.
El Webb lleva cuatro instrumentos científicos de última generación como el detector de infrarrojo medio (MIRI), la cámara del infrarrojo cercano (NIRCam), el espectrógrafo del infrarrojo cercano (NIRSpec), y el instrumento de imagen en el infrarrojo cercano y espectrógrafo sin rendija/sensor de orientación fina (NIRISS/FGS).
Ni los más poderosos telescopios terrestres o telescopios espaciales tienen la capacidad del Webb para observar este Universo primitivo. La expansión y aceleración del cosmos desplaza la luz visible de las galaxias y estrellas distantes a las longitudes de onda infrarrojas, más largas, por ello, el JWST podrá obtener imágenes de alta resolución y su sensibilidad espectroscópica revelará partes del Universo ocultas a nuestros ojos hasta ahora y descifrará algunas de las fases más antiguas de la historia cósmica.
Su espejo primario esta compuesto por 18 segmentos hexagonales de berilio teñidos de oro configurados en forma de panal, con 6.5 metros de diámetro: casi tres veces el tamaño del telescopio espacial Hubble (de 2.5 metros). Su óptica adaptativa permite un movimiento independiente y coordinado de todas las piezas del espejo.
Observar los orígenes del Cosmos
Cuando el Universo era un infante de solo 200 millones de años después del Big Bang, con el 5% de su edad actual –de 13 mil 800 millones de años–, el gas que predominaba como niebla se volvió transparente. Ese cambio que aún no se comprende del todo iniciaría una ardiente ráfaga con la cual se formaron estrellas extremadamente masivas (de hasta 300 veces la masa del Sol), luminosas y calientes que repentinamente iluminaron la oscuridad del cosmos.
Esa época, llamada reionización, marcaría el final de la “Edad Media” o “Edad Oscura” de la historia cósmica. Las estrellas se aglutinaron y explotaron en gigantescas supernovas que liberaron más radiación y luz que dividieron átomos de hidrógeno en electrones y protones y se formaron otros elementos, muchos de ellos metales pesados. Estas primeras fuentes de luz actuaron como semillas para la formación de objetos más grandes como las galaxias.
Fue un periodo importante en la historia del Universo, pero los científicos desconocen muchas cosas sobre ella, por ejemplo, no saben exactamente cuándo se formaron las primeras estrellas, cómo comenzó este proceso y cómo se formaron las galaxias primigenias.
Como si fuera una máquina del tiempo, el telescopio James Webb podrá observar ese Universo primitivo, el más lejano. Con él, cientos de científicos, incluidos algunos mexicanos, buscarán las primeras galaxias para conocer su evolución; observarán la formación de estrellas; medirán las propiedades físicas y químicas de los sistemas planetarios; y explorarán los primeros indicios del potencial de vida como agua, oxígeno y carbono en las atmósferas de otros mundos.
Uno de los proyectos sobre la evolución cósmica temprana, será llevado a cabo por más de 100 investigadores, que esperan detectar una gran cantidad de objetos distantes como las primeras fusiones e interacciones de galaxias, los primeros agujeros negros masivos o supermasivos y las galaxias infrarrojas que se formaron como resultado de violentas colisiones galácticas.
“Creemos que las galaxias se comenzaron a formar en los primeros mil millones de años después del Big Bang. Tratamos de investigar esos periodos iniciales”, explica Daniel Eisenstein, de la Universidad de Harvard. “Debemos hacerlo con un telescopio optimizado para luz infrarroja, porque la expansión del Universo hace que la luz aumente su longitud de onda a medida que atraviesa la enorme distancia para llegar hasta nosotros”.
Viaje riesgoso de seis meses
El telescopio espacial de poco más de 6 toneladas de peso tuvo que viajar en el cohete doblado como un origami gigante; luego del triunfal despegue a bordo de un cohete Ariane 5 de la ESA, y una vez que abandonó la atmósfera terrestre, extendió sus paneles solares para cargar energía y emplazó su antena de comunicaciones, pero aún le falta mucho camino para iniciar operaciones.
Todavía tiene que desplegarse y prepararse para un largo y complejo proceso compuesto por 344 pasos cuidadosamente coreografiados y cronometrados, que le tomará seis meses, cada uno de los cuales podría convertirse en un punto de fallo. Ninguna otra misión de la NASA había requerido la implementación de tantos componentes y secuencias.
Por ejemplo, extenderá su escudo solar con forma de un cometa de cinco sábanas de un material llamado kapton, muy ligero y resistente cubierto de aluminio y silicio, que protegerá al telescopio de la radiación solar y evitará el calentamiento de sus instrumentos; el Webb está hecho para trabajar a 233 grados bajo cero o 40 Kelvin.
Una vez extendido, alcanzará una dimensión de 21 metros de largo por 14 de ancho y 10 de alto, tan grande como una cancha de tenis. Más tarde, armará su óptica: los espejos primario y secundario, bajo la sombra segura y aislante del escudo solar.
A lo largo de un mes viajará a 38 mil kilómetros por hora (13 veces la velocidad de una bala) hasta alcanzar su órbita final a 1 millón 500 mil kilómetros de distancia de la Tierra, casi cuatro veces la distancia de la Luna; un punto gravitatoriamente estable en el espacio conocido como L2, o segundo punto de Lagrange.
En este sitio, el impulso gravitatorio de la Tierra y la Luna, le permitirán tener un movimiento estable alrededor del Sol viajando perpendicularmente a la Tierra. Ahí el telescopio se colocará de tal forma que siempre apuntará en dirección contraria al Sol, con la Tierra y la Luna a su espalda.
Posteriormente vendrán dos meses de sincronización y alineación, y luego un mes de calibración de los instrumentos. Si todo va bien, el Telescopio Espacial James Webb estará finalmente listo para iniciar sus observaciones científicas en junio de 2022.
Cuando el Hubble fue lanzado al espacio a poco más de 500 kilómetros de la Tierra, tuvo que ser reparado por fallos en sus espejos, por astronautas que viajaron en transbordadores espaciales; posterioemente otras cuatro misiones fueron enviadas para actualizar y cambiar sus instrumentos.
Si el James Webb fallara en alguna de sus centenas de procedimientos su reparación por astronautas sería imposible. Se requerirían varias semanas de viaje de ida y otro tanto de regreso. “Solo se podría reparar con robots”, señala Aida Wofford, del Instituto de Astronomía de la UNAM, campus Ensenada, quien participó en una propuesta con la NASA para usar robots para reparar el Hubble en sus últimos años de vida. En caso de ser necesario esta sería la única manera de reparar al Webb. “Pero hasta ahora no se ha implementado el proyecto”.
Por ello, antes de que el telescopio llegue a su órbita final se ha planificado una serie de observaciones tempranas, poco después de desplegar sus espejos. El contenido de estas observaciones de prueba no se han revelado aún, pero la NASA afirma que será una serie de imágenes sorprendentes elegidas para probar y mostrar las capacidades del telescopio.
El telescopio espacial de poco más de 6 toneladas de peso tuvo que viajar en el cohete doblado como un origami gigante; luego del triunfal despegue a bordo de un cohete Ariane 5 de la ESA, y una vez que abandonó la atmósfera terrestre, extendió sus paneles solares para cargar energía y emplazó su antena de comunicaciones, pero aún le falta mucho camino para iniciar operaciones.
Participación mexicana en el Webb
Cuando el joven investigador mexicano Joel Sánchez Bermúdez, del Instituto de Astronomía de la UNAM, realizó una visita al Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial en Baltimore (STScI), le obsequiaron una réplica de una máscara interferométrica, un instrumento clave del Telescopio Espacial James Webb (JWST, por sus siglas en inglés), que captura imágenes del cosmos de alta resolución en el infrarrojo cercano y además está equipado con un espectrógrafo.
Hace 30 años que inició la idea de la construcción del Webb –en aquel entonces se le llamaba Telescopio Espacial de Nueva Generación–, Sánchez Bermúdez todavía no entraba a la escuela primaria, tenía solo cinco años de edad y jamás se imaginó que tendría una réplica de un componente de la misión más ambiciosa de la NASA de las últimas tres décadas.
Este instrumento llamado NIRISS (por las siglas en inglés de Instrumento de Imagen en el Infrarrojo Cercano y Espectrógrafo sin Rendija), le permite al telescopio captar la composición química de los objetos que observa, ya sea una estrella o la atmósfera de un planeta o una luna; también puede conocer diversas condiciones como la temperatura, campos eléctricos, campos magnéticos y la velocidad relativa del objeto, entre otros.
Sánchez Bermúdez utilizará este instrumento en tres proyectos de investigación diferentes con tres grupos distintos de científicos internacionales, durante el primer año de observaciones del nuevo telescopio espacial. Tendrá una participación destacada en el Webb.
“Es una gran responsabilidad. Me llena de mucha ilusión poder usar tan pronto el JWST y ser parte de todo este esfuerzo”, expresa Sánchez Bermúdez, quien desde los cinco años de edad quería ser astrónomo.
En el primero de esos proyectos, junto con sus colegas, estudiará la formación de polvo de estrellas en sistemas binarios de estrellas masivas de hasta 8 veces la masa del Sol. “Buscamos entender cómo se forma el polvo en las estrellas binarias y masivas”, menciona.
En la segunda investigación analizarán la morfología de los discos protoplanetarios de los cuales se forman nuevas estrellas y exoplanetas, es decir, estudiarán el nacimiento de sistemas solares como el nuestro. Y en el tercer proyecto se enfocará en dos lunas de Júpiter, para analizar su geología y actividad volcánica.
“Esperamos obtener información única de la formación de polvo en estrellas masivas, observar directamente exoplanetas y obtener imágenes de alta resolución de objetos en el sistema solar”, comenta Sánchez Bermúdez.
Su participación será como la de los dos mil astrónomos de 44 países que usarán el telescopio para llevar a cabo 270 proyectos de investigación, sin embargo, su contribución es aún mayor: tiene que ver con la propia operación del James Webb, ya que junto con Anand Sivaramakrishnan, astrónomo de la Universidad Johns Hopkins y del STScI, desarrollaron el software que analizará los datos interferométricos que reúna el Telescopio Espacial, es decir, su ingenio acompañará al JWST a lo largo de sus diez años de funcionamiento.
El NIRISS es una contribución de la Agencia Espacial Canadiense y puede observar objetos extremadamente brillantes y tenues.
Pero esta no es la única participación de científicos mexicanos: Aida Wofford, del Instituto de Astronomía de la UNAM, Campus Ensenada, fue parte del equipo de científicos e ingenieros que calibraron el espectrógrafo NIRSpec, del Telescopio James Webb.
NIRSpec fue construido para la Agencia Espacial Europea por Airbus Industries, es una de las herramientas versátiles de Webb para espectroscopia de infrarrojo cercano y puede capturar espectros individuales de docenas de objetos al mismo tiempo que lo hace ideal para estudiar galaxias débiles y extremadamente distantes.
“Seremos la primera generación de seres humanos que observará las primeras estrellas y las primeras galaxias que se formaron en el Universo, eso nunca lo hemos visto y ayudará a construir mejor nuestras teorías sobre cómo se formaron”, señala Wofford. “También podremos observar las primeras trazas de vida, como la conocemos, en planetas de otros sistemas solares”.
La joven investigadora espera iniciar su investigación en la segunda ronda de proyectos con el James Webb. Junto con un equipo de 12 colegas mexicanos y estadounidenses buscan responder por qué en el Universo la mayoría de las estrellas son en promedio como nuestro Sol, y saber por qué son menos frecuentes las estrellas con entre 10 y 100 veces la masa del Sol.
“Queremos estudiar unas nubes de la Vía Láctea donde se están formando estrellas y tratar de entender por que se forman muchas chicas y pocas grandes”, comenta. “Estudiar los filamentos de gas molecular donde se forman las estrellas y con el Webb vamos a poder observar estas regiones de formación estelar en el momento del nacimiento de las estrellas”.
En su famosa serie Cosmos, el célebre científico y divulgador Carl Sagan expresó una de sus frases más famosas: “Somos polvo de estrellas”. Y mientras el mundo y la comunidad científica internacional esperan entrar a una nueva etapa de descubrimientos científicos que revolucionarán nuestra comprensión de los orígenes del Universo, en México el apoyo político y financiero a la ciencia va en retroceso.
El James Webb analizará el polvo de estrellas primigenio del que se originan las primeras galaxias y la vida tal y como la conocemos, mientras en México se convierte en polvo el apoyo financiero a la ciencia, se escatima la contratación de científicos jóvenes y se mantiene el “dedazo” en las instituciones científicas.
A pesar de ello, jóvenes investigadores como Joel Sánchez Bermúdez y Aída Wofford representan dignamente al país en uno de los proyectos tecnológicos y científicos mas ambiciosos de los últimos 20 años.
“México tiene toda la capacidad para llevar a cabo ciencia de primer nivel el problema es que los gobiernos mexicanos no conciben a la ciencia como un motor de desarrollo y la inversión es mínima”, dice Sánchez Bermúdez.
