Cómo el telescopio James Webb está cambiando la astronomía

Cuando un cohete Ariane 5 despegó de la Guayana Francesa el día de Navidad de 2021, transportaba un cargamento de sueños: el telescopio espacial James Webb (JWST). Esos sueños pertenecían a astrónomos que esperaban mirar más lejos en el espacio que nunca antes, a una época en que se formaron las primeras galaxias; penetrar nubes de polvo para presenciar el nacimiento de estrellas; y sondear las atmósferas de los exoplanetas para ver si podrían albergar vida. Después de más de un año en el espacio, JWST está comenzando a convertir esos sueños en realidad.

El telescopio espacial más nuevo viene con ventajas significativas sobre cualquier misión anterior. Lo primero y más importante es su tamaño: JWST cuenta con un espejo de 6,5 metros compuesto por 18 segmentos hexagonales chapados en oro. Este coloso reúne más de seis veces más luz que el espejo de 2,4 metros del telescopio espacial Hubble, por lo que puede registrar la luz de los objetos seis veces más rápido que su predecesor.

Pero la sensibilidad de JWST a la luz infrarroja es el verdadero cambio de juego. El telescopio espacial puede ver longitudes de onda de 0,6 a 28,5 micrómetros, desde el extremo rojo del espectro visible hasta el infrarrojo medio. La óptica del Hubble está optimizada para registrar radiación de 0,09 micrómetros (en el ultravioleta) a 2,5 micrómetros (en el infrarrojo cercano), con la mayor parte de su sensibilidad centrada en la luz visible. Quizás sorprendentemente, en su dominio infrarrojo previsto, JWST generalmente no resolverá detalles más finos que los que logra Hubble en luz óptica: aunque la resolución aumenta con el tamaño del espejo, también disminuye con la longitud de onda.

La observación en el infrarrojo permite a los astrónomos ver galaxias que existieron menos de mil millones de años después del Big Bang. Estos objetos distantes emiten luz ultravioleta y visible, pero la expansión del universo cambia esta radiación a longitudes de onda infrarrojas más largas. Mirar en el infrarrojo es la única forma de observar estas jóvenes galaxias desde la vecindad de la Tierra. Lo mismo es válido para las estrellas recién formadas. El polvo que envuelve a los soles infantiles dispersa la luz visible, ocultando lo que hay dentro de nuestros ojos, pero deja pasar en gran medida la radiación infrarroja.

Los humanos no pueden ver la radiación infrarroja. Por lo tanto, los colores en las imágenes JWST no coinciden con lo que vería el ojo. En muchos casos, los científicos asignan longitudes de onda infrarrojas más largas al extremo rojo del espectro visible y longitudes de onda más cortas hacia el azul, imitando el funcionamiento del ojo. Pero a veces este patrón se altera para mostrar los detalles bajo una luz más reveladora.

Aunque JWST se lanzó a fines de 2021, el observatorio espacial tardó 29 días en llegar a su hogar en órbita alrededor del punto L2 Lagrange a unas 930 000 millas (1,5 millones de kilómetros) de la Tierra, y cinco meses adicionales para que los científicos e ingenieros prepararan el telescopio para su puesta en marcha. debut. La mayoría de los resultados hasta ahora provienen de programas y propuestas científicas de lanzamiento anticipado del primer ciclo de operaciones científicas (Ciclo 1). Siga leyendo para explorar algunos de los hallazgos tempranos más emocionantes del telescopio.

A pesar de su enfoque en las galaxias distantes y la formación de estrellas, JWST es un observatorio de uso múltiple. Su poderoso ojo infrarrojo ve detalles en los objetos del sistema solar más allá del alcance de los telescopios convencionales. Las primeras observaciones incluyen el estudio de cinturones de nubes en los planetas gigantes de gas y hielo; rastreando formaciones de nubes en la luna más grande de Saturno, Titán; explorando el clima de Plutón; y sondeando muchos de los asteroides más pequeños y objetos transneptunianos que pueblan el sistema solar exterior.

JWST incluso observó la pequeña luna del asteroide Dimorphos en septiembre cuando la Prueba de redirección de doble asteroide (DART) de la NASA se estrelló contra ella. El impacto cambió ligeramente la órbita del objeto alrededor de su cuerpo principal, Didymos, lo que ayudó a la agencia espacial a evaluar su capacidad para alterar el curso de asteroides potencialmente peligrosos que podrían cruzarse en el camino de la Tierra.

No es descabellado pensar en el telescopio espacial como un satélite meteorológico planetario para todo el sistema solar. Nuestras últimas vistas de cerca de Saturno se produjeron justo antes de que la nave espacial Cassini se estrellara contra el planeta anillado en septiembre de 2017. Y ninguna nave espacial ha visitado Urano o Neptuno desde que la Voyager 2 pasó junto a ellos en la segunda mitad de la década de 1980. Pero JWST puede ver los sistemas de tormentas en estos mundos con exquisito detalle.

Neptuno estuvo bajo la atenta mirada del telescopio en julio pasado. La mayor parte de la superficie visible del gigante de hielo se ve oscura porque el gas metano en su atmósfera absorbe la luz del infrarrojo cercano. Pero varias nubes de hielo de metano brillan intensamente y un indicio de la circulación global del planeta aparece como una delgada línea que traza el ecuador. Esta circulación impulsa las tormentas y los poderosos vientos de Neptuno, que soplan más rápido que los de cualquier otro planeta. JWST también entregó las vistas más nítidas de los anillos de Neptuno desde que la Voyager 2 visitó el mundo en 1989.

Incluso mientras los científicos planetarios trabajan para revelar los muchos secretos tentadores de nuestro sistema solar, los más de 5000 exoplanetas conocidos en nuestra galaxia siguen siendo un misterio. Si bien normalmente conocemos sus órbitas y, a menudo, sus tamaños y masas, la mayor parte de la información se encuentra más allá del alcance de los telescopios terrestres e incluso del Hubble. Pero JWST ya ha comenzado a cambiar el status quo.

¿Qué importancia tienen los exoplanetas para los científicos del JWST? Asignaron casi una cuarta parte del tiempo de observación durante el Ciclo 1 al estudio de estos mundos y los materiales que los forman.

Aunque no está diseñado para descubrir exoplanetas, JWST ha confirmado uno alrededor de la estrella LHS 475, una enana roja ubicada a 41 años luz de la Tierra en la constelación de Octans. El Satélite de Sondeo de Exoplanetas en Tránsito (TESS) de la NASA insinuó que esta estrella podría albergar un planeta, pero fue necesario el nuevo telescopio espacial para confirmar la minúscula caída en el brillo causada por el cruce del planeta frente al disco de la estrella o en tránsito por él. El planeta parece ser rocoso, con un diámetro apenas un 1 por ciento más pequeño que la Tierra, aunque el parecido con nuestro mundo natal se detiene ahí. Gira alrededor de su sol en solo dos días y cuenta con una temperatura unos cientos de grados más cálida que la de la Tierra.

Sin embargo, la verdadera fuerza de JWST proviene de su capacidad para analizar las atmósferas de los exoplanetas. Para lograr esto, el telescopio debe observar los tránsitos con sus potentes espectrógrafos. Cuando un planeta pasa entre la Tierra y su estrella anfitriona, su atmósfera filtra algunas longitudes de onda de la luz estelar. Debido a que cada átomo y molécula tiene una huella digital espectral distinta, esto permite a los astrónomos estudiar la composición química de estos mundos.

La mayoría de las moléculas que interesan a los investigadores de exoplanetas se encuentran en la parte infrarroja del espectro. Si bien Hubble podría provocar a los científicos con sus observaciones, JWST satisfará sus apetitos.

El primer exoplaneta objetivo del observatorio fue WASP-39 b, un planeta gigante de gas caliente que orbita una estrella similar al Sol a 700 años luz de distancia en la constelación de Virgo. La excelente resolución de JWST reveló agua, dióxido de azufre, monóxido de carbono, sodio, potasio y, por primera vez en un exoplaneta, dióxido de carbono. El planeta brilla a una temperatura de 1.650 grados Fahrenheit (900 grados Celsius) no debido a un efecto invernadero descontrolado, sino porque orbita a solo 4,52 millones de millas (7,27 millones de kilómetros) de su estrella. (En comparación, Mercurio orbita a casi 57,9 millones de kilómetros [36 millones de millas] del Sol).

Los planetas y sus estrellas anfitrionas se forman dentro de las incubadoras estelares ricas en gas y polvo que los astrónomos llaman nebulosas. Pero estas nubes, por hermosas que sean, ocultan las actividades vitales que ocurren en su interior, al menos en luz visible. La visión infrarroja de JWST ha comenzado a abrir estos entornos.

Uno de sus primeros objetivos fue una pequeña porción de la Nebulosa del Águila (M16) en la constelación Serpens, que el Hubble hizo famosa en 1995. La dramática imagen de los "Pilares de la Creación" se clasificó entre la lista de la revista TIME de las 100 fotos más influyentes de todas. tiempo. JWST capturó una vista igualmente impresionante de esta icónica región de formación de estrellas, que se encuentra a 6500 años luz de la Tierra. Donde el Hubble vio principalmente polvo opaco y gas frío, JWST reveló que muchas estrellas ya estaban emergiendo de sus capullos natales. La mayoría de estas estrellas recién nacidas aparecen fuera de los pilares oscuros y se revelan por sus picos de difracción, una característica de las imágenes tomadas con telescopios reflectores como el JWST.

Estos soles infantiles han tenido tiempo de encender la fusión nuclear en su núcleo y convertirse en estrellas de pleno derecho. Pero JWST descubrió objetos aún más jóvenes conocidos como protoestrellas que aún extraen gas y polvo de su entorno. Tales jóvenes arrojan periódicamente chorros de material que chocan con su entorno denso y hacen que irradien. Los mejores ejemplos aparecen como destellos rojos brillantes cerca de las puntas de los dos pilares inferiores. Los astrónomos estiman que las protoestrellas tienen solo unos pocos cientos de miles de años.

La formación estelar ocurre en todo el universo, por supuesto, y los científicos del JWST han estado ansiosos por explorar sus múltiples expresiones fuera de nuestra galaxia. Dos sitios clave se encuentran dentro de nuestro Grupo Local. Las Nubes de Magallanes Grande y Pequeña, las dos galaxias satélite más masivas de la Vía Láctea, juegan un papel muy importante en el desciframiento del universo.

Esto se debe a que la cantidad de metales (elementos más pesados ​​que el helio cocinados dentro de estrellas masivas) en las dos galaxias resulta ser aproximadamente la mitad que en la Vía Láctea. Estas condiciones imitan las que existían cuando el cosmos tenía solo 2 mil o 3 mil millones de años y las galaxias producían estrellas a su ritmo más alto. Los fuegos artificiales durante este llamado mediodía cósmico dieron forma a las galaxias en ese momento y continúan influyendo en las galaxias que vemos hoy.

Ninguna característica en las Nubes de Magallanes se acerca más a reflejar estos tiempos caóticos que la Nebulosa de la Tarántula de la gran nube (NGC 2070). (Para obtener más información sobre la Nebulosa de la Tarántula, consulte "Desenredando la Nebulosa de la Tarántula" en la edición de septiembre de 2021). Tarántula, la región de formación de estrellas más grande del universo local, forja nuevas estrellas a un ritmo feroz. Los astrónomos han catalogado unas 820.000 estrellas hasta la fecha, y las vastas reservas de hidrógeno y helio que contiene la nebulosa deberían servir para cientos de miles más. El brillante cúmulo estelar en su centro, denominado R136, contiene docenas de estrellas que pesan al menos 100 masas solares.

Las observaciones iniciales de JWST revelan la tarántula con un detalle sin precedentes. La feroz radiación y los vientos estelares de las estrellas masivas en R136 han despejado una gran burbuja en la región central de la nebulosa. Solo las áreas circundantes más densas, que probablemente albergan estrellas bebés propias, resisten este ataque. Debido a que la nebulosa se encuentra a solo 160,000 años luz de la Tierra, a un tiro de piedra en una escala cósmica, la Tarántula les brinda a los astrónomos una vista de cerca de las condiciones que encontrarán mientras exploran el mediodía cósmico con más profundidad.

En muchos casos, las observaciones de objetos cercanos permiten a los investigadores comprender mejor los más distantes. Los planetas de nuestro sistema solar informan los estudios de exomundos al igual que la formación de estrellas en las Nubes de Magallanes arroja luz sobre regiones similares en el universo distante. De la misma manera, el estudio de las galaxias que interactúan conduce directamente al objetivo final de comprender los turbulentos primeros días del cosmos.

Pero mientras que las regiones cercanas a menudo pueden servir como análogos para entornos más antiguos y distantes, JWST fue diseñado para observar directamente las antiguas galaxias formadas en los albores del cosmos, y los astrónomos han disfrutado probando esta capacidad.

Una de las primeras imágenes de JWST, y la primera publicada públicamente, fue una foto de campo profundo del cúmulo de galaxias SMACS 0723 en la constelación austral de Volans. La exposición tomó 12,5 horas, en comparación con las semanas de los diversos campos profundos del Hubble, y registra galaxias incluso más débiles y más lejanas que el Hubble podía ver.

Vemos SMACS 0723 como apareció "solo" hace 4.600 millones de años. Pero gracias a la enorme masa del cúmulo, que actúa como una lente gravitatoria para magnificar y distorsionar los objetos detrás de él, podemos ver galaxias que existieron mil millones de años después del Big Bang. Como era de esperar, las galaxias más pequeñas del campo se encuentran más alejadas. Curiosamente, no se parecen en nada a las galaxias espirales y elípticas más maduras más cercanas a la Tierra. Pero quizás los descubrimientos más significativos hasta ahora son las dos galaxias más remotas jamás vistas. Usando el enorme cúmulo de galaxias Abell 2744 en Sculptor como lente gravitacional, los científicos descubrieron dos universos insulares que existieron solo 450 millones y 350 millones de años después del Big Bang (que ocurrió hace 13,8 mil millones de años). Las galaxias parecen excepcionalmente brillantes y probablemente habrían comenzado a ensamblarse solo 100 millones de años después del Big Bang. Los investigadores aún no saben si las galaxias contienen muchas estrellas tenues o unas pocas estrellas de Población III extraordinariamente brillantes: las estrellas masivas hipotéticas consistían únicamente en hidrógeno y helio que fueron las primeras estrellas en adornar el cosmos.

El viaje de JWST en ese cohete Ariane 5 fue tan fluido que la NASA ahora estima que el observatorio tiene suficiente combustible para operar durante al menos 20 años. Eso significa que la ciencia, los descubrimientos y las bellas imágenes apenas han comenzado.