El telescopio James Webb (Parte 2)

En el artículo anterior nos enfocamos en las especificaciones del Telescopio Espacial James Webb (TEJW), para comprender un poco más la importancia de este observatorio de vanguardia. Ahora es el turno de la logística que hubo detrás de su construcción, proceso de lanzamiento y objetivos a cubrir a corto y mediano plazo.

Orígenes y desarrollo del TEJW

Fue entre 1989 y 1994 cuando científicos de la NASA comenzaron a plantear la posibilidad de lanzar un nuevo telescopio espacial como sucesor al Hubble. Desde sus inicios se pensó como un telescopio infrarrojo de bajo costo, lo cual llevó al equipo de ingenieros a considerar un punto estacionario como la meta a alcanzar después de su lanzamiento (el punto de Lagrange 2 como veremos más adelante).

Su nombre iba a ser el Telescopio Espacial de Siguiente Generación (Next Generation Space Telescope), y no fue sino hasta 2002 cuando se optó por cambiar su nombre a James Webb como reconocimiento a sus aportes en materia de exploración espacial (decisión que resultó controvertida dados ciertos antecedentes de discriminación durante su período).

Con un presupuesto original de alrededor de 830 millones de dólares, se contempló el año 2007 como posible ventana de lanzamiento. En el año 2005 se anunció un aumento significativo en el presupuesto para su desarrollo (4,500 millones de dólares) lo cual retrasó los planes de ponerlo en órbita. Del 2005 al 2010 el proyecto pasó todas las pruebas necesarias, siendo en este último año cuando se decide modificar el cronograma original, proyectando su posible lanzamiento hasta el año 2018.

A finales del 2015 comenzaron las fases de ensamblado del espejo principal dividido en segmentos hexagonales, siendo el año 2016 cuando se da por concluida esta etapa. A partir de este punto el telescopio comenzó a ser puesto a prueba para garantizar su funcionamiento en el espacio. En marzo del 2018 la NASA decide posponer 2 años más su lanzamiento debido a un desgarre que sufrió el telescopio durante el procedimiento de despliegue.

Requisitos contemplados en el diseño del TEJW

Como se mencionaba en el artículo previo, el espejo del TEJW se diseño específicamente para capturar el espectro de luz infrarrojo dado que los objetos más distantes sufren de un fenómeno conocido como el corrimiento al rojo, el cual reduce significativamente nuestra capacidad para estudiar los objetos más distantes desde la Tierra.

Cuando salimos de noche a mirar el cielo, las estrellas más brillantes en el firmamento emiten alrededor de 1 millón de fotones que podemos percibir fácilmente con nuestros ojos, pero al querer capturar la luz de los objetos más distantes en el universo, hace falta un espejo muy grande porque sólo es posible recuperar 1 fotón de ellos por segundo.

Originalmente se tenía planeado ir más allá de los 6 metros de diámetro, pero esto habría complicado significativamente el proceso de diseño y lanzamiento. Se logró maximizar el tamaño de todos los componentes del telescopio con los recursos disponibles, y aunque la superficie recolectora de los espejos del TEJW es 5.5 veces mayor que la del Hubble, en realidad es 62% más ligero por sus materiales de construcción.

Para que el TEJW funcione de manera óptima, es indispensable aislarlo por completo de la radiación solar ya que esta puede interferir directamente en las observaciones más complicadas y meticulosas. El escudo protector en 5 capas solucionó este problema. Sin embargo, las restricciones dimensionales del cohete Ariane V enfrentaron a los ingenieros a un problema de diseño muy particular: se requirió un escudo plegable que cupiera en el cohete Ariane 5 durante la fase de lanzamiento.

La naturaleza no determinística de las membranas aumentó considerablemente la dificultad para alcanzar este objetivo. El escudo tiene que plegarse y guardarse, lo que conlleva una mecánica increíblemente complicada para garantizar un despliegue adecuado. Desplegar una estructura rígida (o determinista) en el espacio es relativamente fácil. Sin embargo, las membranas y los cables son casi inherentemente no deterministas. El problema es muy parecido a lo que ocurre con los paracaídas, que sólo funcionan cuando son plegados de forma correcta antes de usarse.

Lanzamiento y despliegue en el espacio

3 años después de su fecha estimada de lanzamiento, el día 25 de diciembre del 2021, la NASA al final logró enviar al espacio al TEJW desde la Guayana Francesa dentro del cohete Ariane 5. Su despliegue comenzó poco tiempo después de escapar de nuestra atmósfera.

Dos mecanismos relativamente simples (el despliegue de los paneles solares y la antena de comunicaciones) precedieron a la parte más angustiosa de toda la misión: al tercer día, dio inicio el despliegue del escudo protector. La secuencia tenía 300 posibles puntos de fallo, es decir, 300 oportunidades para dar por perdida esta odisea. 107 clavijas que sujetan al parasol tuvieron que soltarse a la espera de que un complejo sistema de poleas, motores, cables, cojines y resortes comenzaran a desplegarse también.

El proceso entero tomó 3 días, y mantuvo al mundo al borde del asiento. Por suerte todo salió bien, sin embargo, la probabilidad de que un micro meteorito golpee las membranas del escudo es bastante alta, y dado que se trata de capas de plástico estiradas bajo tensión, cualquier rasguño podría desgarrarlo por completo. Para evitar esto, se moldearon costuras que detienen los desgarros y permiten confinar una sola parte de la membrana sin comprometer su integridad estructural. También se añadieron molduras onduladas y otras formas para darle rigidez adicional.

Imposible de reparar

A diferencia del telescopio espacial Hubble (el cual orbita muy cerca de la Tierra) no podremos reparar al TEJW por la enorme distancia que lo separa de nosotros. Esta es otra de las razones por la que sus espejos cuentan con mecanismos extremadamente precisos que permiten ajustar su enfoque a la perfección.

Cada espejo puede contorsionarse y ajustar su posición respecto al espejo secundario situado en el punto focal del espejo principal.

Los motores y sistemas de control de los espejos son tan precisos que permiten ajustar su posición en la escala de longitudes de onda de luz, con incrementos de hasta una diezmilésima parte del grosor de un cabello humano.

Los ingenieros realizaron pruebas en la tierra simulando las condiciones del espacio exterior para garantizar el óptimo comportamiento de los espejos reflejantes.

Los puntos de Lagrange

El TEJW se encuentra en un punto muy particular de nuestro sistema solar: el punto de Lagrange 2, que es uno de los 5 lugares en el sistema solar donde las fuerzas gravitacionales permiten que los objetos se estacionen de forma relativa a la tierra.

En los puntos de Lagrange, los objetos pequeños (como satélites) permanecen de forma estacionaria y relativa a los objetos que los circundan. Esto ocurre porque el empuje gravitacional de ambos cuerpos es exactamente igual a la fuerza centrípeta requerida para que el objeto se mueva con los objetos gravitacionales.

Podemos pensar en ellos como pequeños estacionamientos espaciales que le permiten a los satélites permanecer en una posición relativamente estable usando una cantidad mínima de combustible.

Las posibilidades del TEJW

Por su capacidad de estudiar el espectro infrarrojo podrá penetrar las nubes de polvo estelar, revelando una cantidad de detalles previamente desconocidos en galaxias y nebulosas. También será posible observar objetos más débiles y más fríos que los que podemos captar desde la Tierra. Como el vapor de agua y el dióxido de carbono en nuestra atmósfera absorben la mayoría del espectro infrarrojo, los observatorios terrestres están limitados en esta capacidad. Además, la atmósfera en sí irradia luz infrarroja, lo cual bloque cualquier objeto observable en el espacio.

La potencia del telescopio James Webb permitirá escrudiñar nubes moleculares donde nacen las estrellas, discos circunestelares que originan planetas, y el núcleo de galaxias activas. Los objetos más fríos emiten radiaciones principalmente infrarrojas. Ejemplos de ellos son las nubes interestelares, las enanas marrones, planetas, cometas y objetos del cinturón de Kepler.

El telescopio es tan potente que es capaz de detectar el calor de un abejorro en la luna. Podrá estudiar exoplanetas con atmósfera, y uno de los puntos de interés es el recién descubierto sistema Trappist-1, el cual cuenta con una zona habitable donde existen distintos exoplanetas que serán estudiados a detalle por el TEJW. Mediante estas observaciones seremos capaces de determinar la composición química de sus atmósferas.

Una de las misiones principales es aproximarnos como nunca antes a los orígenes del universo. Se estudiarán las primeras estrellas y galaxias formadas hace alrededor de 13,500 millones de años. Las observaciones del TEJW podrían cambiar nuestra historia para siempre, y sus primeras imágenes están por salir a la luz pública este 12 de Julio.

Muy pronto tendremos al Telescopio Espacial James Webb en órbita y podremos observar miles de planetas. Pienso que las probabilidades de hacer contacto con una civilización extraterrestre son muy altas.

Michio Kaku

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