James Webb: despegó el mayor telescopio espacial de la historia que busca la luz de las primeras estrellas

El mayor telescopio espacial de la historia ya está en órbita. El telescopio James Webb, que costó US$10.000 millones y tardó tres décadas en construirse, despegó desde la Tierra este sábado y emprendió su misión de buscar las primeras estrellas que alumbraron el cosmos.

El observatorio fue lanzado a bordo del cohete Ariane desde el puerto espacial Kourou en Guayana Francesa.

En esta nota te contamos cómo funciona, su compleja ingeniería y cómo intentará revelar algunos de los secretos mejor guardados de nuestro universo.

Oscuridad. Total y absoluta. Muy pocos logramos experimentarla. Al fondo de una cueva, de pronto; o en un sótano cuando se va la electricidad. Pero normalmente hay un resplandor leve que viene de algún lado. Incluso el cielo nocturno nunca se ve totalmente negro, dado que usualmente hay una o dos estrellas brillando en la distancia.

Es difícil imaginar una época en la que lo único que existía era la oscuridad, cuando podías viajar en cualquier dirección durante millones de años y no ver absolutamente nada.

Pero esa es la historia que nos cuentan los científicos, la de la “edad oscura” que reinaba en el universo antes de que las primeras estrellas se encendieran. Y muy pronto tienen la intención de mostrarnos esa época, o más bien, mostrarnos cómo terminó: cómo el cosmos al final se llenó de luz.

Lo harán usando el telescopio más grande que se haya puesto fuera de la Tierra: el telescopio espacial James Webb.

Con su lanzamiento este sábado, el telescopio James Webb tendrá la misión de ver con mayor profundidad en el espacio que incluso el legendario telescopio espacial Hubble, al cual reemplazará.

Ver al pasado

Equipado con un espejo de 6,5 metros de ancho y cuatro instrumentos de altísima sensibilidad, Webb se enfocará en un espacio muy reducido del cielo durante días intentando detectar luz que ha estado viajando a través de la inmensidad del espacio por más de 13.500 millones de años.

“Solo serán pequeños puntos rojos”, dice el científico senior del proyecto James Webb y ganador del premio Nóbel John Mather.

“Creemos que debería haber estrellas o galaxias, o agujeros negros de pronto comenzando 100 millones de años después del Big Bang. No debe haber muchas para encontrar en ese tiempo pero el telescopio Webb puede verlas si están ahí… y si tenemos suerte”, le dijo a una edición especial de Discovery, del servicio mundial de la BBC, un investigador de la agencia espacial estadounidense NASA.

Es una idea impactante que puedas ser testigo de algo así. Pero esa es la consecuencia de que la luz tenga una velocidad finita en un cosmos inmenso y en expansión. Si se busca a mayor profundidad, finalmente se debería llegar a recolectar la luz de las estrellas pioneras mientras se agrupaban en las primeras galaxias.

Pero, ¿con qué fin? ¿Por qué gastar 10 años concibiendo, y otros 20 años construyendo, una máquina de US$10.000 millones para detectar unos tenues puntos rojos en el cielo?

Bueno, esencialmente se reduce a la pregunta más fundamental de todas: ¿de dónde venimos?

La formación de todo

Cuando el universo se formó en el Big Bang sólo contenía hidrógeno, helio y una pizca de litio. Nada más.

Todos los elementos químicos de la tabla periódica más pesados que estos tres tuvieron que forjarse en las estrellas.

Todo ese carbono que forma todos los seres vivos; todo el nitrógeno en la atmósfera de la Tierra; todo el silicio en las rocas; todos estos átomos tuvieron que ser “manufacturados” en las reacciones nucleares que hacen que las estrellas brillen, y en las poderosas explosiones que finalizan su existencia.

Solo estamos aquí porque las primeras estrellas y sus descendientes llenaron el universo con los materiales para hacerlo todo.

“La misión de Webb es sobre la formación de todo; es el argumento de ‘todos estamos hechos de polvo de estrellas’”, reflexiona Rebecca Bowler, una astrónoma de la Universidad de Oxford quien es miembro del equipo del instrumento NIRSpec del telescopio Webb.

“Es acerca de la formación del primer átomo que existió. Es absolutamente increíble para mí que podamos observar ese proceso mientras ocurre”.

No sabemos mucho sobre las primeras estrellas. Podemos introducir las leyes físicas en modelos de computadoras para tener un sentido de lo que puede ser posible. Y suena fantástico.

“Los rangos estimados varían entre 100 y 10.000 veces la masa de nuestro Sol”, dice Marcia Rieke, la investigadora principal del instrumento NIRCam del telescopio Webb.

“Y de hecho, todas las estrellas siguen la regla que dice que el tiempo que puede existir es inversamente proporcional a su masa; es decir, entre más masiva la estrella, más rápido consume su combustible. Así que esas estrellas tempranas pudieron durar apenas un millón de años más o menos”.

Vive rápido, muere jóven. Nuestro propio Sol pareciera tan tímido en comparación. Ya lleva quemándose casi 5000 millones de años y es posible que siga quemándose por otros 5000 millones de años más.

Una herramienta multipropósito

El enfoque de la búsqueda de la primera luz de estrellas podría hacer parecer como si el telescopio Webb tuviera una sola misión. Pero nada podría estar más lejos de la realidad.

Observará casi todo lo que hay para ver más allá de la Tierra: desde lunas heladas y cometas en nuestro propio sistema solar hasta los colosales agujeros negros que residen en el centro de todas las galaxias. Se espera que esté particularmente adaptado para estudiar planetas que orbitan otros soles.

El Webb ha sido diseñado para ver todos sus objetivos de una manera muy particular: en el espectro infrarrojo.

Hubble fue diseñado para ser predominantemente sensible a la luz en las longitudes de onda ópticas o visibles. Es el mismo tipo de luz que detectamos con nuestros ojos.

Webb, por su parte, está diseñado específicamente para detectar longitudes de onda más largas, las cuales, aunque invisibles para nuestros ojos, están exactamente en el punto donde el brillo de los objetos más distantes del universo van a aparecer.

“La luz de estrellas distantes se extiende gracias la expansión del universo y se mueve a la región infrarroja del espectro. Lo llamamos corrimiento al rojo”, explica Richard Ellis, un astrónomo del University College de Londres quien está impaciente por explorar el fin de la edad oscura.

“El factor limitante que tenemos con el Hubble, por ejemplo, es que no alcanza lo suficientemente lejos en el espectro infrarrojo como para detectar las señales de la luz estelar que buscamos. Tampoco es un telescopio particularmente grande. Ha sido una instalación pionera, sin duda. Fotos increíbles. Pero el diámetro de su espejo es de solo 2,4 metros, y el poder de un telescopio se incrementa con el cuadrado del diámetro del espejo. Ahí es donde entra el telescopio James Webb”.

Tecnología de avanzada

Fue el astrónomo del siglo XVIII William Herschel quien descubrió el infrarrojo. También revolucionó la producción de espejos para telescopios.

Sus máquinas para pulir operadas a mano lograban fabricar superficies reflectivas súper suaves en un disco moldeado de una mezcla de hojalata y cobre.

Herschel hubiera apreciado las innovaciones que se incluyeron en la producción de los espejos del telescopio Webb.

Están hechos de berilio metálico, que es liviano y mantiene su forma a temperaturas muy bajas. Y luego está la cobertura de oro. Es extremadamente delgada, un grosor de apenas unos cientos de átomos, pero esta adición convierte los espejos en reflectores casi perfectos de infrarrojo.

Aproximadamente el 98% de la luz de un incidente se refleja, asegurándose de que la emisión de luz de estrellas distantes experimente pérdidas mínimas cuando llega a los instrumentos del telescopio Webb.

Cualquiera que haya visto el espejo primario segmentado de 6,5 metros confirmará lo fascinante que es su calidad. Incluso aquellos que trabajaron en él por más de dos décadas nunca se cansan de su belleza.

“Hubo un tiempo en el que el espejo estaba apuntando hacia abajo y yo tenía que meterme debajo para hacer una inspección de los sistemas ópticos”, recuerda Lee Feinberg, de la NASA y quien lideró el equipo de espejos del telescopio Webb.

“Entonces, ahí estaba yo en mi traje de conejito, mirando hacia arriba todas esas superficies doradas y viendo mi reflejo. Era realmente increíble: todas esas superficies enfocándose en mí. Tuve una increíble sensación de energía estando en el centro de todo”.

Evitar errores del pasado

El telescopio Hubble tuvo un problema clave en su espejo principal. Cuando el telescopio llegó a la órbita en 1990, los científicos se dieron cuenta de que el reflector no había sido pulido de manera correcta. Sus fotos iniciales de galaxias venían borrosas.

No fue sino hasta que astronautas pudieron llevar ópticas correctivas hasta el telescopio que el Hubble pudo empezar a ver el cosmos con claridad. Y es por esa experiencia que, de pronto con razón, todo el mundo se pregunta si se puede garantizar que el espejo del telescopio Webb sea impecable.

El mes de agosto de 2017 vio al huracán Harvey quedarse estático sobre Texas, regando una increíble cantidad de 127.000 millones de toneladas de agua lluvia sobre el estado.

Vale la pena notarlo porque en medio del diluvio, el telescopio Webb estaba ahí, en Houston, en el Centro Espacial Johnson de la NASA, atravesando pruebas críticas para probar que sus sistemas ópticos estuvieran listos para volar.

Los ingenieros habían puesto el telescopio en un simulador espacial que se usó en los años 60 para revisar profundamente el hardware de las misiones Apollo.

La Recámara A, como se le conoce al contenedor al vacío, es gigantesca en cuestión de volumen, y fue capaz de devorar el telescopio completo (con excepción de su escudo solar). El propósito del examen de tres meses era exponer al telescopio Webb a su temperatura de operación en el espacio de -233 grados centígrados (40 kelvin), para ver si todos sus espejos iban a enfocar como fueron diseñados.

También le daría a los equipos que trabajaban en los cuatro instrumentos del telescopio Webb la oportunidad de ver cómo funcionarían sus sistemas en condiciones extraterrestres simuladas. Eso asumiendo que el huracán Harvey lo permitiera.

Por momentos, las consolas de las computadoras que se comunicaban con el telescopio Webb dentro de la Recámara A tenían que cubrirse con plástico para protegerlas del riesgo de agua goteando desde el techo. Pero guardado detrás de las espesas paredes del contenedor de vacío, el telescopio Webb estaba a salvo y demostraba que no tenía un problema como el Hubble.

“Los segmentos en el espejo primario tienen motores detrás de ellos que nos permiten moverlos, incluso cambiando su curvatura”, explica Lee Feinberg.

“Cuando se lance inicialmente al espacio, todos esos segmentos estarán desalineados. Pero esos motores nos llevarán de un desalineamiento medido en milímetros a uno medido apenas en nanómetros. Una mejoría exponencial”.

Esos motores harán que los 18 segmentos se comporten como si fuera un único espejo monolítico.

La ingeniera de instrumentos de sistemas de la NASA Begoña Vila agrega: “Esto es lo que demostramos en la recámara de pruebas. Sabemos que cuando nos enfoquemos inicialmente en una estrella en el espacio, veremos realmente 18 puntos de luz porque los 18 segmentos individuales del espejo no estarán alineados. Pero luego ajustaremos los espejos para juntar todos los puntos y formar una estrella única que esté bien. Sabemos cómo funciona el Webb”.

“Espejos cortantes”

Gillian Wright está cargando un recipiente plástico. “Este no es cualquier recipiente, es uno calificado para el espacio. Cumple con todos los estándares internacionales para mantener las cosas limpias por años”, dice la directora del Centro de Tecnología de Astronomía del Reino Unido.

Para entender qué tan brillante es el telescopio Webb, pero además por qué ha tomado tanto tiempo en construirse -20 años en la fase de construcción-, se debe mirar en la caja plástica de Gillian Wright.

Contiene un “espejo cortante” de repuesto del Instrumento de Infrarrojos Medios (MIRI) que ella y sus colegas han construido para el telescopio.

De un tamaño cercano al de una moneda, parece un acordeón musical miniatura hecho para un juguete. El pequeño espejo, nuevamente con cubierta de oro, contiene una serie de “escalones” inclinados.

El arreglo le permite al espejo adquirir tanto una imágen del cielo y también cortar la luz de, digamos, una galaxia o del borde de un agujero negro, y luego enviar esa luz al espectógrafo. El aparato revelará la química, temperatura, densidad y velocidad de los objetivos estudiados.

“Pero no solo un punto de la imagen, sino cualquier punto de la imagen, todo al mismo tiempo. Vas de 2D a 3D, a lo que llamamos un cubo de datos”, me cuenta.

Esto se había hecho en la astronomía terrestre, pero era una novedad para el telescopio Webb.

Pero lo que es más, el nivel de precisión de ingeniería que se requería era extremadamente exigente. Los escalones tenían que ser maquinados con mucha precaución para que tuvieran bordes supremamente afilados; de lo contrario, la luz de diferentes longitudes de onda alcanzaría el espejo, contaminando los datos.

Tomó un año convencer a las agencias espaciales de que los espejos cortantes del MIRI cumplirían con las especificaciones. Y ahí está la cosa: este es solo un pequeño componente, parte de un gran telescopio.

“La pesadilla de todas las pesadillas”

Cuando armaron el Webb, cada elemento tenía que probarse una y otra vez cuando lo unían a otro elemento. Toda la estructura se construyó como una matrioska.

El excientífico de proyectos de la NASA Mark Champlin explica:

“Porque es un observatorio tan grande y complejo,y también porque tiene que funcionar a temperaturas criogénicas, no puedes juntar todo al tiempo y luego probarlo. Pones todo en paquetes sellados y aislados térmicamente, probando cada etapa. Y a medida que todo empieza a crecer y a crecer, se vuelve virtualmente imposible devolverse porque encontraste un problema en un detector, digamos”.

Imagina que hacia el final de la construcción del telescopio se dan cuenta que uno de los espejos cortantes del MIRI estaba defectuoso.

Desensamblar el observatorio multimillonario para llegar a la parte defectuosa sería la pesadilla de todas las pesadillas.

Mark McCaughrean es un astrónomo británico de infrarrojos que ha trabajado en el proyecto por 23 años en capacidad de asesor para la Agencia Espacial Europea.

Ha visto piezas del telescopio Webb antes, pero solo semanas antes del lanzamiento programado, desde el puerto espacial en la Guayana Francesa, tiene la oportunidad de examinar la pieza completa por primera vez.

“No sé qué decir. Es impactante”. Su voz se escucha emocionada.

Más de 300 retos

Los espejos y las sábanas de aislamiento son de un resplandor dorado y plateado. El plateado tiene un leve tinte púrpura. Estamos viendo el telescopio Webb envuelto, pero aún así tiene el tamaño de un autobús.

Este bus ha sido transformado para que quepa ajustadamente en el cono de la nariz del cohete de lanzamiento Ariane.

“Tiene una escala impresionante”, cuenta Mark. “Cuando se desdoble en el espacio, como un ave volando libremente en el espacio, será una cosa increíble de ver”.

El telescopio Webb ha tenido que combatir a los detractores durante todo su desarrollo. “Es demasiado complejo”, decían. Y cuando tienes en cuenta la secuencia de despliegue que el telescopio debe completar con el fin de empezar sus observaciones del cosmos, realmente asusta.

Los ingenieros se refieren a “fallos de un solo punto” para describir las acciones que, si no ocurren cuando están programadas y en el orden correcto, posiblemente puedan echar por tierra todo el emprendimiento. Webb tiene que sobrepasar 344 de estos retos decisivos.

Algunas acciones deberían ser bastante simples, como el despliegue del panel solar y la antena de radio durante los minutos inmediatos después del lanzamiento.

Hasta la apertura de las alas del espejo primario se puede considerar como una operación bastante estándar. Pero las acciones alrededor del despliegue del escudo del tamaño de una cancha de tenis, que mantendrá el telescopio fresco y protegerá su visión del resplandor del Sol, es otro asunto.

“Algunas de las piezas de hardware clave incluyen 140 mecanismos de liberación, cerca de 40 ensamblajes de bisagras, 8 motores de despliegue; tenemos balineras, resortes, engranajes; se necesitan cerca de 400 poleas y 90 cables, un total de 400 metros”, dice Krystal Puga, de la fábrica aeroespacial Northrop Grumman.

“Para perfeccionar la secuencia, desarrollamos diversos exámenes a través de los años tanto en modelos pequeños como de tamaño completo. Practicamos no solo el proceso de despliegue, sino también el de guardado. Esto nos da la confianza de que el Webb se va a desplegar de manera satisfactoria”.

Para todos los que no hemos estado involucrados directamente en el proyecto, el proceso de despliegue parece aterrador. ¿Qué pasa si una de las cuerdas que sujeta una de las membranas súper delgadas se enreda, o peor aún, se revienta?

John Mather es la voz que trae calma. Sus muchos años con el Webb lo han llevado a una posición filosófica.

“Tengo confianza”, dice, “y aún así también soy consciente de que no importa qué tan sólido sea el plan que tengamos, y tenemos un gran plan, las cosas igual pueden salir mal”.

“Pero mi opinión no tiene ningún efecto en el hardware. Y, en consecuencia, mis preocupaciones tampoco tienen ningún tipo de efecto en el hardware. Así que la mayor parte del tiempo no me preocupo”.

Una inversión multimillonaria

He dejado este tema para el final, pero no puede pasar sin comentario. El costo.

La cifra que todo el mundo cita es de US$10.000 millones. Cubre directamente el periodo de construcción de 20 años, el lanzamiento y cinco años de operación en el espacio.

Como cifra, trae lágrimas a los ojos. Pero vale la pena recordar que el Hubble también fue muy costoso. El legendario observatorio costó más de US$7.000 millones al momento que había sido lanzado y reparado. Su costo debe estar cerca del doble ahora.

Pero dado todo lo que el Hubble nos ha mostrado del Universo el viejo telescopio pareciera haber sido muy valioso.

Si Webb logra mostrarnos nuestros orígenes atómicos, ¿quién continuará discutiendo sobre los costos?

“El valor directo tiene muchos ceros, y Europa sola ha gastado US$800 millones en el telescopio James Webb”, dice Peter Jensen, excoordinador de proyectos de la Agencia Espacial Europea.

“Pero cuando lo ves como costo por habitante de Europa, se reduce a una taza barata de café en un café barato que se bebe durante un periodo de 20 años”.

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