El telescopio James Webb (Parte 1)

El 25 de diciembre del 2021 se lanzó de forma exitosa el telescopio espacial considerado como el más importante de nuestra era por muchos miembros de la comunidad científica. En este artículo exploraremos el origen de su nombre, los retos a los que se enfrentaron ingenieros y diseñadores, y echaremos un vistazo a su construcción y funcionamiento.

¿Quién fue James Webb?

El Telescopio Espacial James Webb (TEJW) rinde homenaje a uno de los primeros directores de la NASA, quien impulsó durante su cargo los primeros viajes de exploración espacial, sentando las bases para liderar una época de importantes descubrimientos astronómicos.

James Webb se encargó de dirigir proyectos visionarios para desarrollar naves espaciales robóticas que exploraran la Luna y sondas que viajaran a otros planetas como Marte y Venus, pero su proyecto más ambicioso fue la ejecución del Proyecto Apolo, cuyo objetivo fue llevar al hombre a la Luna.

En el apogeo de este proyecto, fue responsable de 35,000 empleados y más de 400,000 contratistas que trabajaban para miles de empresas y universidades de Estados Unidos. Por desgracia, su nombre quedó ensombrecido tras la tragedia del Apolo 1, cuya cabina sufrió un incendio durante una prueba, acabando con la vida de sus tres tripulantes. Sin embargo, los sucesores de James Webb decidieron bautizar al telescopio con su nombre ya que fue uno de los personajes clave en los inicios de nuestra era actual de exploración espacial.

Las particularidades del Telescopio Espacial James Webb

Según la teoría de la relatividad de Einstein, el espacio entre los objetos del universo no deja de expandirse, incluyendo la luz: en la medida que el espectro de las primeras estrellas y galaxias viaja hacia nosotros, sus ondas se expanden y la luz se torna infrarroja (efecto conocido como corrimiento al rojo). El TEJW opera justo en ese rango para poder penetrar las nubes de polvo espacial que obstruyen el paso de la luz visible, permitiendo observar las estrellas que se forman en su interior.

En nuestro cielo nocturno hay millones de estrellas que ya no podemos ver porque su espectro se ha tornado infrarrojo. Para alcanzar a verlas, será asistido por un enorme espejo que aumentará la cantidad de luz que se puede captar en el espacio, lejos de la interferencia atmosférica. A mayor cantidad de luz, mayor será el detalle de la imagen obtenida.

Espejos de Berilio

El espejo principal está dividido en 18 segmentos hexagonales de berilio, cada uno con 1.32 metros de diámetro.Los telescopios en observatorios convencionales suelen elaborarse con vidrio de silicio. Sin embargo, dado que el TEJW operará en temperaturas extremadamente bajas, se buscó un material altamente resistente a las deformaciones térmicas, y el mejor candidato para cubrir estas exigencias fue el Berilio dada su excepcional capacidad para resistir temperaturas criogénicas.

El Berilio es un metal ligero (con un peso atómico menor al del silicio) que mantiene su forma y no se contrae tanto como otros materiales, volviéndolo el elemento ideal para la base de los espejos. Aunque no es un metal tan fuerte como el acero, sí es más rígido, lo cual permite deformarlo mucho más antes de que se rompa, otorgándole una excelente estabilidad dimensional. A pesar de todas estas propiedades, el berilio no es reflejante y fue necesario recubrirlo con un material más eficiente.

Recubrimiento de oro

El elemento ideal para las observaciones del TEJW es el oro por su excelente capacidad para reflejar el espectro infrarrojo, al ser un elemento poco reactivo, la superficie de los espejos no acabará empañándose ni perderá su brillo a lo largo de su funcionamiento.

Para poder reflejar el espectro infrarrojo se aplicó una capa muy fina de oro (con 0.1 micras de espesor) sobre la superficie de berilio pulido.

En total fueron necesarios tan solo 48.2 gramos de oro para recubrir todos los espejos del telescopio, lo cual es sorprendente si consideramos que su superficie es de 25 m2, o 5.5 veces más grande que el espejo circular de cristal de 4.5 metros del telescopio Hubble.

¿Por qué un espejo tan grande?

Los objetos que el TEJW observará durante su funcionamiento son extraordinariamente tenues; tanto así que sólo será posible captar 1 fotón de ellos por segundo, y la luz captada por el espejo principal del TEJW será analizada por distintos instrumentos científicos de vanguardia que nos permitirán descubrir información sin precedentes en el estudio de objetos celestes:

NIRCam (Near InfraRed Camera) / Cámara Cercana al Infrarrojo

NIRCam es el módulo primario del telescopio, encargado de observar el espectro cercano al infrarrojo. 10 detectores altamente sensibles le permiten analizar la luz de las primeras estrellas y galaxias en el universo.

Está equipado con cronógrafos para mejorar su funcionamiento, los cuales bloquean las fuentes de luz más intensas para observar los objetos circundantes como galaxias, estrellas y exoplanetas.

Sin embargo, NIRCam no es suficiente para determinar la composición de otros planetas ni sus características principales (como la presencia de agua o aire). Para lograrlo, el TEJW se apoya de otro instrumento:

NIRSPEC (Near InfraRed SPECtrograph) / Espectrógrafo Cercano al Infrarrojo

El módulo NIRSPEC también observa el espectro cercano al infrarrojo, pero su objetivo principal es determinar la masa, temperatura y composición química de los objetos celestes. Los átomos y las moléculas de un objeto distante se reflejan en su espectro, pero obtener esta información toma docenas de horas de observación continua.

Para ahorrar tiempo y recursos, NIRSPEC cuenta con un sistema que le permitirá observar cientos de objetos de forma simultánea. Denominado Microshutter System (o Sistema Micro-Obturador) se trata de una matriz de 250,000 obturadores que se abren y se cierran de acuerdo a las órdenes recibidas desde la Tierra.

Esta tecnología permite filtrar cualquier fuente de luz innecesaria para obtener una imagen más nítida de los objetos más tenues y remotos.

FINE GUIDANCE SENSOR / Sensor de Señalización Fina

Para captar la mayor cantidad de luz en el espacio, el TEJW tiene que fijar su mirada en distintos puntos a la vez, lo cual será posible gracias al Fine Guidance Sensor (o Sensor de Señalización Fina); una herramienta de estabilización de imagen controlada por un sistema de guiado que mantiene fijo el objetivo del telescopio, minimizando cualquier desenfoque.

MIRI (Mid-InfraRed Instrument) / Instrumento Cercano al Infrarrojo

Para lidiar con las nubes de gas y polvo estelar que obstruyen el espectro de luz visible, el TEJW cuenta con el instrumento MIRI que también está equipado con una cámara y un espectrógrafo que operan en un rango de onda más amplio que los demás instrumentos. Esto le permite penetrar las densas nubes de polvo y gas que hay en el espacio.

Sus sensibles detectores nos permitirán ver la luz de las galaxias, cometas, estrellas recién formadas y las estrellas más remotas en el universo. Sin embargo, para que MIRI funcione de forma adecuada, su temperatura de operación debe estar por debajo de los 6.7° Kelvin o -266.5° C (muy cerca del Cero Absoluto), de lo contrario también captaría su propio calor, lo cual estropearía las observaciones del telescopio.

Para vencer este obstáculo, los científicos crearon un sistema de enfriamiento único en el mundo, capaz de alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto y de eliminar cualquier tipo de vibración mecánica, ya que el más mínimo movimiento podría causar enormes distorsiones en la imagen mientras el telescopio intenta enfocar objetos situados a miles de millones de años luz.

Los ingenieros procuraron eliminar la mayor cantidad de piezas móviles en la medida de lo posible, dejando sólo unas cuantas que producen movimientos increíblemente precisos para equilibrar sus pesos. Los detalles mecánicos de este componente son extraordinarios y pueden ser consultados en el sitio oficial de la NASA.

Todos los instrumentos abordo del TEJW sólo pueden operar de forma correcta cuando están aislados por completo del Sol.

Radiación solar

El Ingeniero en Sistemas de Misiones del TEJW, Mike Menzel, junto con su equipo, calcularon una multitud de formas para evitar que la radiación solar interfiriera con los instrumentos de observación. La energía térmica que el Sol envía hacia el telescopio equivale a 200,000 Watts de potencia, y el objetivo es permitir que tan sólo 1 Watt ingrese al telescopio para alimentarlo de forma pasiva.

Para entender mejor este problema, valdría la pena recordar que el calor se transfiere de 3 formas: por conducción (a través del contacto directo entre átomos), por convección (a través del movimiento físico de los átomos) y por radiación (a través de ondas electromagnéticas). En el espacio, el vacío impide la transferencia por convección, por lo cual sólo resta lidiar con la conducción y la radiación.

La solución fue crear un escudo en 5 capas para evitar la transferencia de calor hacia los instrumentos de observación del telescopio, los cuales tienen que permanecer siempre a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Escudo reflejante

Se buscó crear un escudo ligero, fuerte, reflejante, resistente a la degradación por radiación solar y dimensionalmente estable en un amplio rango de temperaturas, y el material que cumple con todas estas propiedades (excepto una) es el kapton.

Aunque en su estado original no es reflejante (pues tiene un color anaranjado-transparente), puede ser recubierto por otros materiales sin afectar sus propiedades, y para poder reflejar la radiación, cada una de las 5 capas del escudo fueron recubiertas por una delgada capa de aluminio de 100 nanómetros de espesor. Las membranas que conforman al escudo protector son increíblemente delgadas, siendo la primera (y más cercana al sol) la más gruesa de todas, con tan sólo 0.05 mm de grosor. Las siguientes 4 son más delgadas y tienen 0.025 mm de grosor.

Están separadas para permitir que el calor y la radiación (producto de la conducción y convección) sean reflejadas al espacio, lo cual es posible gracias a un diseño convexo que les permite a las ondas rebotar hacia el exterior, eliminando la cantidad de calor acumulado entre capas.

Además, la primera membrana está recubierta por una delgada película de silicón con 50 nanómetros de grosor, dándole al escudo su característico tono rosado. Se escogió el silicón por su alta emisividad (la capacidad que tiene para emitir una gran cantidad de la energía que absorbe en forma de radiación térmica) lo cual evita que las capas conserven calor en su interior.

Dado que las 2 membranas externas son las más calientes, se eligió recubrir también la segunda con silicón para reflejar la mayor cantidad de radiación. Este diseño le permitirá al telescopio mantener un drástico diferencial térmico entre su lado caliente (+83°C) y su lado frío (-233°C).

El combustible a bordo del TEJW

El telescopio cuenta con 20 cohetes propulsores repartidos en su cuerpo para ajustar su posición y apuntar a distintos objetivos. Está cargado con 191 litros de hidracina y 95.5 litros de tetróxido de dinitrógeno. 16 motores se alimentan de hidracina a través de una reacción exotérmica que descompone el combustible en nitrógeno, hidrógeno y amoniaco. Los 4 motores restantes controlan la órbita y posición del telescopio, y al requerir más potencia se alimentan de ambos combustibles, cuya mezcla causa una reacción hipergólica (las sustancias se encienden tan pronto entran en contacto).

El ciclo de vida previsto para el TEJW originalmente era de 10 años (que corresponde al tiempo que duraría su combustible) pero su lanzamiento fue tan exitoso que no fue necesario usar tanto combustible para los primeros ajustes de reposicionamiento, lo cual extenderá su vida útil varios años más.

El Telescopio Espacial James Webb se ha convertido en el observatorio más importante del mundo. En funcionamiento, nos ayudará a resolver muchos de los misterios que aún guarda nuestro sistema solar y explorará las estructuras y orígenes del universo.

En el siguiente artículo exploraremos a detalle la misión del TEJW, sus objetivos a mediano y largo plazo y los puntos de interés más significativos que la comunidad científica ha elegido estudiar a detalle en el espacio exterior.

¡Esperamos que este texto haya sido de tu agrado!

Nos vemos en la Parte 2…

Referencias 

• Where Is Webb? NASA/Webb. (s. f.-c). Webb's Launch GSFC/NASA. https://webb.nasa.gov/content/webbLaunch/whereIsWebb.html

• Webb. (s. f.). European Space Agency. https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Webb

• What Is the James Webb Space Telescope? | NASA Space Place – NASA Science for Kids. (s. f.). Home | NASA Space Place – NASA Science for Kids. https://spaceplace.nasa.gov/james-webb-space-telescope/en/

• Roulette, J. y Overbye, D. (2022, 8 de enero). What We Know About Unfolding the James Webb Space Telescope. The New York Times. https://www.nytimes.com/2022/01/08/science/webb-telescope-nasa-time-livestream.html

• Beall, A. (s. f.). The James Webb Space Telescope (JWST). New Scientist. https://www.newscientist.com/definition/james-webb-space-telescope-jwst/

• Allain, R. (2022, 7 de enero). The Physics of the James Webb Space Telescope. Wired. https://www.wired.com/story/the-physics-of-the-james-webb-space-telescope/

• Resnick, B. (2021, 22 de septiembre). The largest space telescope in history is about to blow our minds. Vox. https://www.vox.com/science-and-health/22664709/james-webb-space-telescope-launch-date-december-science-hubble

• Scarr, S. (2021, 23 de diciembre). Looking back in time. Reuters. https://graphics.reuters.com/SPACE-EXPLORATION/TELESCOPE/klvyknwbrvg/

• To my surprise and elation, the Webb Space Telescope is really going to work. (s. f.). Ars Technica. https://arstechnica.com/science/2022/01/whats-left-for-the-webb-telescope-now-waggling-mirrors-turning-on-instruments/

• Webb's Launch GSFC/NASA. (s. f.). Webb's Launch GSFC/NASA. https://www.jwst.nasa.gov/

• Space.com Staff. (2022, 28 de abril). NASA's James Webb Space Telescope mission: Live updates. Space.com. https://www.space.com/news/live/james-webb-space-telescope-updates