El telescopio espacial James Webb lanzado en diciembre de 2021 promete revolucionar nuestro conocimiento sobre dos campos de la astronomía, principalmente nuestra comprensión de la formación de galaxias y de sistemas planetarios en formación.
Hace más de 413 años el astrónomo italiano Galileo Galilei usó por primera vez un telescopio para auscultar el cielo con una mirada científica. Este gesto en sí mismo transformó la forma en la que entendíamos cómo se mueven los planetas en el Sistema Solar, cómo es la topografía de la Luna y hasta el hecho de entender que el Sol rota y tiene manchas en su superficie como resultado de su actividad interna.
Un telescopio es, por construcción, un sistema que colecta luz y nos permite definir en imágenes formas que se encuentran más allá del alcance de nuestros ojos. Cuanto mayor área abarca (diámetro del espejo principal, línea de base en el caso de los radiotelescopios) mayor será la cantidad de luz que puede ser recibida y, dependiendo del tipo de arreglo óptico, alcanzará mayor resolución de objetos individuales. Es como si tuviéramos un balde en la lluvia, cuanto mayor sea el tamaño de ese balde mayor cantidad de agua caerá dentro de él.
Luz de muchos colores
No todos los telescopios son sensibles al mismo tipo de luz. El comportamiento ondulatorio de la luz puede clasificarse en términos de un número llamado longitud de onda, que representa la distancia física entre dos máximos o dos mínimos de intensidad de una oscilación periódica. La longitud de onda se expresa en metros (m) o en múltiplos de esa medida: centímetros (cm), milímetros (mm), nanómetros (nm), entre otros.
Cuando se planea la construcción de un telescopio no solo se determina su tamaño físico, sino también la región del espectro de luz a la que es más sensible de acuerdo con los objetos que se quieren estudiar.
Si se quiere observar la forma o distribución de estrellas en una galaxia, los estudios en luz visible (entre 400 y 700 nm) permiten revelar esas características; pero si queremos ver la distribución de polvo interestelar y conocer su temperatura recurrimos a la luz infrarroja (700nm a 1mm).
En la imagen de la derecha, está la galaxia M51 vista en diferentes longitudes de onda.
El es un observatorio astronómico situado a 1.5 millones de kilómetros de la Tierra en un punto estable de la órbita conocido por los astrónomos como Lagrange 2 o L2. Al estar situado fuera de la atmósfera terrestre este telescopio no tiene que preocuparse por la presencia de nubes y turbulencias atmosféricas y puede apuntar hacia objetos muy lejanos desde los cuales nos llega poca luz.
En términos de tamaño, el telescopio espacial James Webb tiene un espejo principal de 6.5 m de diámetro, lo que incrementa el área colectora de luz si lo comparamos con su predecesor el telescopio espacial Hubble; pero adicionalmente está diseñado para observar preferencialmente en longitudes de onda del infrarrojo, lo que permitirá ver detalles de regiones de formación estelar en otras galaxias y sondar el origen de las mismas en el universo temprano.
Cronología del universo
Una millonésima de segundo después del Big Bang, el universo estaba compuesto por un sopa de partículas elementales, esencialmente quarks y electrones acoplados a la radiación electromagnética por interacción constante con los fotones.
La temperatura era tan elevada y el espacio tan reducido que los quarks no conseguían interactuar suficiente tiempo para formar protones y neutrones. Cada vez que dos quarks se encontraban un fotón venía a separarlos.
Sin embargo, el universo pasó por una fase rápida de expansión y ese aumento de tamaño hizo que la distancia que podían recorrer los fotones sin interactuar con la materia se hiciera mayor, permitiendo que los quarks se juntaran para formar los llamados nucleones (protones y neutrones) y, con ellos surgiría el primer núcleo atómico: el hidrógeno (11H). No todas las partículas continuaron teniendo la misma energía y se produjo un primer desacoplamiento entre radiación, protones, neutrones y neutrinos, pasando los últimos a interactuar poco con el resto de componentes.
Pasados 3 minutos después del Big Bang se habían formado ya los núcleos de los elementos químicos primordiales y a medida que el universo se expandía aumentaban las interacciones entre esos átomos.
300.000 años después del Big Bang, los núcleos atómicos se unieron a los electrones y dieron origen a los átomos neutros. En el universo entonces podrían verse grandes regiones de gas neutro que era opaco al paso de la radiación, por lo cuál a esta época se le conoce como la “era oscura”.
Los cosmólogos acostumbran distinguir cada época del universo por la componente que dominaba su dinámica:
- Época de la radiación: los primeros años del universo estuvieron marcados por el dominio de los fotones quienes determinaron las interacciones de todas las componentes.
- Época de la materia: una vez formados los átomos en estado neutro, se fueron ensamblando las estructuras de gran escala en el universo (galaxias, cúmulos y supercúmulos). La interacción entre la materia ordinaria y la llamada materia oscura regulaba la tasa de expansión.
- Época de la energía oscura: en 1998 los astrónomos hicieron el anuncio de que la tasa de expansión del universo parecería estar cambiando aceleradamente, llegaron a esta conclusión a partir de la observación de la curva de luz de una clase particular de estrellas que están muriendo, conocidas como supernovas Tipo Ia (Perlmutter,1998). Ese hallazgo determinó la introducción de una componente exótica del universo conocida como energía oscura, un campo que “empuja” el espacio-tiempo obligándolo a expandirse cada vez más rápido.
En el período de la época de la materia, conocido como reionización (mil millones de años después del Big Bang) surgieron las primeras estrellas y galaxias. El repentino brillo de las estrellas liberó una gran cantidad de energía haciendo que las nubes de gas, especialmente de hidrógeno, volvieran a estar ionizadas (los electrones son desprendidos de los átomos). Esta primera generación de estrellas se caracterizó por su alta masa y sus vidas cortas. Al finalizar su existencia, ellas enriquecieron el medio interestelar con nuevos elementos químicos, mucho más pesados que los primordiales, como el magnesio, el hierro, el carbono, el silicio, entre otros.
Se cree que simultáneamente con la aparición de las primeras estrellas se ensamblaron también las galaxias. Sin embargo, hasta ahora la sensibilidad de nuestros telescopios no era suficiente para observar esos primeros momentos de la formación de la estructura. Se espera que el telescopio espacial James Webb nos permita entender mejor esos procesos en el universo primitivo.
Primeras imágenes del telescopio espacial James Webb
En conferencia de prensa realizada por el presidente de los Estados Unidos Joe Biden el pasado 11 de julio fue exhibida la primera imagen procesada del telescopio espacial James Webb (JWST). Se trata de una imagen compuesta de alta exposición (fotografía que acumula luz en un tiempo prolongado de 12.5h) tomada con diferentes filtros por la cámara del infrarrojo cercano (NIRcam) del JWST, de una región del espacio profundo localizada dentro de la constelación de Volante, en el hemisferio sur. La imagen es tratada digitalmente para resaltar en color objetos que realmente no serían percibidos en el espectro visible.
Lo que se observa en este campo es un cúmulo de galaxias conocido como SMACS J0723.3-7327 a una distancia de 4240 millones de años luz. Según lo reportado por los voceros del JWST, la región tendría el tamaño en el cielo como de un grano de arena puesto a la distancia de un brazo extendido. Los puntos en la imagen son galaxias en sí mismas localizadas a diferentes distancias de la Tierra. Muchos de los objetos son tan poco luminosos que no figuraban en imágenes anteriores tomadas por el telescopio espacial Hubble ni otros telescopios terrestres.
Según se anunció en la conferencia de prensa “se trata de la imagen de la región más distante vista hasta ahora en el infrarrojo”.
Resalta en la imagen la presencia de arcos de luz producidos por el efecto de lente gravitacional. Según la teoría de la relatividad general de Einstein, la masa deforma los caminos en el espacio-tiempo y los objetos que pasan por esta deformación seguirán trayectorias curvas, de esta forma los arcos se forman cuando la luz de las galaxias que están mucho más lejos de nosotros que el propio cúmulo, interactúa con su campo gravitacional.
Más allá de estar viendo objetos mucho más lejanos y antiguos en el universo, el James Webb también representa una impresionante mejora en relación con la resolución de otros telescopios espaciales en el infrarrojo. La semana anterior fue publicada una imagen previa en la cual se muestra la diferencia entre los telescopios espaciales Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) y el Spitzer, la anterior generación en la misma longitud de onda.
Pero los descubrimientos del nuevo telescopio no se limitan al Universo temprano. El equipo que trabaja con exoplanetas reveló la presencia de vapor de agua en el planeta WASP-96 b localizado a 1,150 años luz de distancia y orbitando alrededor de una estrella parecida al Sol. Gracias a la altísima resolución del telescopio fue posible realizar un espectro completo de la atmósfera en el momento en que el planeta pasaba en frente a su estrella.
Composición de la atmósfera de WASP-96 b, un exoplaneta localizado en la constelación del Fénix. Se resalta la evidencia de vapor de agua en su atmósfera.
Con las cámaras a bordo del telescopio fue posible también hacer una imagen de detalle de la nebulosa planetaria NGC3132 el remanente de una estrella que explotó hace miles de años. Entre otros detalles es posible ver las ondas de choque que se forman como efecto de la propia explosión, pero también por los vientos de radiación producidos por el objeto central, una estrella enana blanca que emite radiación de alta energía.
Imagen comparada de las cámaras MIRI y NIRcam del telescopio espacial James Webb de la nebulosa planetaria NGC3132.
Entre las imágenes entregadas el 12 de julio se encuentra también una vista de la nebulosa de Carina. Se trata de una cuna estelar en la cuál se pueden observar por primera vez estrellas que aún están saliendo de sus envoltorios de gas y polvo. Con los telescopios ópticos tradicionales esas estrellas estarían cubiertas pero en el infrarrojo estas limitaciones no existen.
Finalmente, entendiendo que el universo es dinámico y que los encuentros gravitacionales son frecuentes se reveló una imagen de 150 millones de píxeles del quinteto de Stephan, una asociación de galaxias en una bella y extremadamente lenta danza cósmica. Debido a su estado dinámico estas galaxias presentan regiones activas de formación estelar en las que puede evidenciarse la presencia de muchas estrellas jóvenes que ionizan el gas a su alrededor.
Al centro del conjunto en colores rojo y dorado se observa la violenta colisión de galaxias contra el centro del cúmulo, allí el gas es calentado a altísimas temperaturas y acelerado formando colas de marea.
Sin duda las primeras imágenes del telescopio espacial James Webb revelan cuál será su potencial para ayudarnos a entender una época del universo sobre la cuál la evidencia observacional aún era escasa. Procesar la información que nos llega puede ser un desafío aún mayor que poner el telescopio en órbita, es por eso que astrónomos de todo el mundo ya trabajan en esfuerzos colaborativos para sacar todo el provecho de ésta nueva tecnología.
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