James Webb, el telescopio espacial más potente: verá el universo más lejano para entender su origen

Ha llegado la hora de la verdad para el telescopio espacial James Webb. Una de las grandes promesas de la astronomía mundial por fin dejará la Tierra y se internará en el espacio profundo con el fin de recoger testimonios espaciales de hace millones de años. "De cuando el universo era tan solo un bebé". Conocer los primeros compases tras el Big Bang será clave para que científicos de España y de todos los países que han participado en el proyecto comiencen a revisar teorías asentadas sobre el origen o bien refutar las existentes con nuevos datos e indagaciones.

Si todo sale según lo planeado, el James Webb despegará del Puerto Espacial que la Agencia Espacial Europea tiene en la Guayana Francesa a eso de las 13:20 este sábado 25 de diciembre. Lo hará a bordo de un cohete europeo Ariane 5 compuesto por 2 etapas y que se ha consolidado como una de las plataformas de lanzamiento más importantes para cargas pesadas.

Los últimos reportes apuntan a unas buenas condiciones meteorológicas para el momento del despegue, que originalmente la NASA había agendado para el pasado día 22 y después al 24. Este pequeño ajuste de última hora no afecta a una misión cuyo retraso acumulado sobrepasa los 13 años y está unida a un sobrecoste que prácticamente han multiplicado por 20 la dotación presupuestaria calculada por la NASA en el inicio de la misión.

La Agencia Espacial de Estados Unidos planeaba gastarse aproximadamente 500 millones de dólares en todo el proyecto como relevo necesario del telescopio Hubble, pero los grandes contratiempos dejaron muy atrás esa cifra en poco tiempo. Los problemas en las fases de diseño y desarrollo han hecho que la factura total ascienda a 9.700 millones, impulsándolo al primer puesto de la lista de telescopios más caros jamás desarrollados.

James Webb en el centro de integración NASA/Chris Gunn

El James Webb es un proyecto a tres llevado a cabo entre la NASA, la ESA europea y la Agencia Espacial de Canadá en una misión con buena representación y participación científica española. El Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) ha aportado sus conocimientos en óptica espacial para desarrollar un calibrador y Airbus España ha participado en el desarrollo de uno de los sensores más importantes de todo el telescopio.

Viaje complejo

Tras el despegue a bordo del Ariane 5, los 6.200 kilogramos del James Webb viajarán durante 30 días en un periplo espacial en el que están planeadas más de 300 maniobras orbitales. Los científicos son capaces de usar la influencia gravitatoria de los planetas para ahorrar combustible y así llegar a "un punto muy especial: el L2", según ha contado Tomás Belenguer, jefe del departamento de Óptica Espacial del INTA a EL ESPAÑOL-Omicrono.

Módulo de carga del Ariane 5 e ilustración del interior con el James Webb plegado ESA / Ariane / NASA

"La ubicación del telescopio debe de ser un sitio muy estable tanto en el apartado térmico como en el gravitacional". Cerca de la Tierra existen 5 puntos -denominados puntos de Lagrange- con una influencia gravitatoria estable y, de ellos, L2 es el que mejor se ajusta a las necesidades del James Webb.

"En esa región del espacio, la gravedad es controlada y estable, al colocar una carga útil en L2 se queda más o menos equilibrada durante mucho tiempo", comenta Belenguer. Ese punto está situado a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra y donde, en caso de fallo, sería imposible ir a repararlo, como sí ha ocurrido con el Hubble.

Una vez establecido en L2, el James Webb comenzará a despertar. La NASA, a través de las estaciones de comunicación de espacio profundo como la que tiene en Robledo de Chavela (Madrid), realizará los encendidos programados y las comprobaciones necesarias para comenzar a trabajar. "Esperamos para marzo contar con los primeros datos de los experimentos de primera luz, los que inauguran el funcionamiento", apunta Belenguer.

El telescopio James Webb tiene como fin sustituir el trabajo que lleva realizando unas cuantas décadas el Hubble. "Observar el origen de las galaxias, ver su interacción en el pasado cuando el universo tenía menos de 200 millones de años, de los 13.800 que se calcula que tiene actualmente". El estudio cosmológico más profundo que se ha llevado a cabo hasta la fecha.

Recreación del Ariane 5 con el James Webb ESA

Para ello, la clave del Webb es que "se centra en el espectro infrarrojo comprendido entre las bandas de 0,6 hasta 28 micras. Consiguiendo cubrir un rango espectral donde hay mucho interés para la comunidad científica".

El espectro infrarrojo permitirá ver "los principios del universo, cuando se desarrolló el cosmos que conocemos". En palabras de Belenguer, el telescopio viene a "revolucionar el concepto cosmológico" y servirá para conocer la evolución de las galaxias desde su primer estadio. Se espera que el Webb tenga una vida útil de 10 años, aunque es posible que se alargue.

James Webb Northrop Grumman

Instrumentos con sello español

Con la secuencia de encendido concluida, la NASA comenzará a sacar provecho a los instrumentos instalados. Se pueden destacar 3 familias de sistemas a bordo: una dedicada a la obtención de datos en el espectro infrarrojo próximo, otra para el espectro infrarrojo medio y una tercera familia dedicada a que los anteriores instrumentos apunten con precisión al lugar del espacio deseado.

La primera familia está compuesta por el NIRCAM y el NIRSPEC, que trabajarán conjuntamente en la obtención de datos del espectro de infrarrojos cercano situado entre las 0,6 y las 5 micras. NIRCAM es el acrónimo de Near Infrared Cam o Cámara de Infrarrojos Cercanos y será la encargada de detectar la luz del proceso de formación de las primeras estrellas y galaxias, la población de estrellas en las galaxias cercanas, así como estrellas jóvenes en las inmediaciones de la Vía Láctea y el Cinturón de Kuiper.

Instalación de la NIRCAM NASA/Chris Gunn

La NIRCAM está equipada con instrumentos que permiten a los astrónomos tomar fotografías de objetos muy débiles alrededor de un objeto brillante central, como sistemas estelares. Consiguen bloquear la luz de un objeto más brillante, lo que permite ver el objeto cercano que originalmente estaba más tenue. Por ejemplo, cuando un planeta pasa por delante de una estrella situada a miles de millones de años luz.

Por su parte, el Near Infrared Spectrograph (NIRSPEC) o Espectrómetro de Infrarrojo Cercano se utiliza para analizar el espectro -la radiación emitida- de un objeto que puede revelar propiedades tales como la temperatura, la masa y la composición química. Cada átomo y molécula imprime una determinada huella espectral que el NIRSPEC es capaz de registrar y posteriormente los científicos podrán asignarlo a un tipo de composición química.

Equipo de científicos con el NIRSPEC de fondo NASA/Chris Gunn

A través de Airbus, la Agencia Espacial Europea fue la encargada de diseñar y fabricar el NIRSPEC; incluida la rama española que ha tenido un papel clave. Airbus Crisa ha proporcionado la electrónica y el software de control del NIRSPEC y Airbus Madrid-Barajas hizo lo propio con el cableado criogénico del mismo instrumento.

"Los elementos que nosotros desarrollamos forman parte esencial del control del telescopio realizado con el ordenador central del James Webb, por lo que durante todo el programa trabajamos codo con codo con los equipos de la NASA y la ESA", en palabras de Margarita Pereira, jefa del programa de Airbus Crisa. Según recoge la propia Airbus, el NIRSPEC sería capaz de detectar la luz de una cerilla en la Luna desde la Tierra en un instrumento que tiene un peso de unos 200 kilogramos.

MIRI ESA

El siguiente instrumento de la lista es el Mid-Infrared Instrument (MIRI o Instrumento del Infrarrojo Medio), que cuenta con una cámara y un espectrógrafo incorporados capaces de registrar la luz del espectro electromagnético correspondiente con el infrarrojo medio. El MIRI cubre el rango desde 5 a 28 micras de longitud de onda y permitirán ver la luz movida al rojo de las galaxias distantes, estrellas recién formadas y cometas débilmente visibles.

En el desarrollo del MIRI también ha habido participación española con un equipo del Área de Óptica Espacial del INTA coordinados por el Centro de Astrobiología. "Para que los científicos españoles pudieran participar en la misión del James Webb a igualdad de condiciones que el resto de los países involucrados, entramos en la fase desarrollando un calibrador para el MIRI", comenta Belenguer.

Simulador óptico del INTA Tomás Belenguer

"Creamos un sistema muy complejo que simula ópticamente toda la estructura del telescopio para inyectar las señales pertinentes a cada una de las partes del instrumento MIRI". El INTA ha recreado las condiciones a las que trabajará el James Webb cuando se encuentre en el espacio y el instrumento creado ha servido para certificar que las señales recibidas por el MIRI son válidas y útiles para las investigaciones científicas.

España, según indica Belenguer, fue el último país en entrar en la participación del James Webb y fue el primero en entregar un dispositivo. "Fue un verdadero reto, en 3 años tuvimos que desarrollar un sistema compatible con el modelo de vuelo, utilizar materiales especiales para la desgasificación, generar un diseño estructural robusto... España dio el do de pecho".

Instrumento español Tomás Belenguer / INTA

Una vez finalizado, el simulador óptico se llevó a Oxford donde se estaba desarrollando el MIRI y donde, más tarde, realizó las comprobaciones pertinentes. "Después se llevó a la NASA", recalca. Quien volvió a certificar el instrumento de prueba y antes de montar el MIRI en el James Webb lo retiraron. "Nuestro sistema no vuela".

El último de los instrumentos de científicos a bordo del James Webb es el Fine Guidance Sensor (FGS o Sensor de Orientación Afinada) que le servirá al telescopio para que mueva sus sensores con precisión , de modo que pueda obtener imágenes de alta calidad. Cuenta con un rango de longitud de onda que va desde los 0,8 a las 5 micras y servirá como una guía que hará apuntar al telescopio.

Retos tecnológicos

Uno de los retos principales en la fabricación del telescopio es que debe viajar al espacio segmentado. "Cada parte se ha tenido que unir con unas precisiones por debajo de la micra para asegurar que el telescopio funciona como una unidad", recalca Belenguer. En esta línea, según afirma el experto, lo más complicado de todo ha sido diseñar el James Webb para que se plegara dentro del lanzador y una vez desplegado en el espacio todo quedara ajustado.

"Hay que tener en cuenta que el Webb viaja plegado en 3 piezas, que luego serán las que compondrán el espejo primario del telescopio" de 6,5 metros de diámetro y 700 kilogramos en total. Cada una de esas piezas, a su vez, está compuesta por una serie de elementos hexagonales que conforman ese espejo primario y que cuya inclinación ha sido minuciosamente estudiada para recoger la mayor cantidad de radiación posible.

James Webb con el espejo principal plegado Northrop Grumman

Un error de cálculo en los brazos encargados de desplegar los elementos -en total hay 18- o en el posterior ajuste de los mismos conllevaría la recepción errónea de los datos y desecharía la misión.

Otro de los principales desafíos de la ingeniería ha sido la relacionada con el control de las temperaturas del telescopio. Al llevar equipos infrarrojos, el lado donde se encuentran los equipos de medición y los sensores deben mantenerse por debajo de -223 grados centígrados, como límite de temperatura calculado por la NASA.

De no ser así, la instrumentación a bordo recogería ruido debido a la interferencia del calor ambiental -radiación infrarroja- o directamente quedaría inservible. "La carga térmica que producirían el Sol y la Tierra sobre los instrumentos sería demasiado grande si no se apantalla". Arruinando la misión.

Este apantallamiento es sin duda uno de los elementos más importantes del James Webb. "El parasol está compuesto por 5 estructuras puestas en paralelo construidas con Kapton", prosigue. Uno de los usos terrícolas del Kapton es la preservación del calor en pacientes enfermos o en heridos de accidentes de tráfico. "Refleja hacia dentro la radiación infrarroja, en ese caso la que emite el cuerpo para que no pierda la temperatura". En el caso del espacio se invierte la reflexión para disipar la energía hacia el espacio.

James Webb con la protección de Kapton en la parte inferior de la imagen Northrop Grumman

Las 5 capas de Kapton tienen una superficie equivalente a un campo de tenis y son esenciales para el funcionamiento del telescopio. Con especial relevancia en el caso de este telescopio y su posición orbital en el punto L2, en el que el Sol siempre le incide en la misma cara. Según los datos de la NASA, la primera capa de Kapton tendrá una temperatura máxima de 109 grados, mientras que en la disipación energética en la quinta se moverá en un rango que va desde -52 a -237 grados centígrados.

Diferencias con el Hubble

Las diferencias entre el Hubble y el James Webb radican principalmente en dos aspectos. El primero es la gran influencia gravitacional que ejerce la Tierra al Hubble debido a la cercanía con la que orbita. Mientras que la segunda tiene más que ver con los equipos instalador a bordo.

El Hubble está muy "centrado en el espectro visible y se queda corto en el espectro infrarrojo", prosigue Belenguer. "Solo llega a unas pocas micras, además de que ya es una tecnología antigua". Al estar centrado en ondas muy cortas, si se compara con el James Webb, es muy sensible a las estructuras que pueden perturbar la luz.

James Webb, a la izquierda, y Hubble, a la derecha NASA

"Como las galaxias están en continua expansión, las longitudes de onda de interés sufren un corrimiento al rojo, por lo que la información que puedes obtener es más interesante en el infrarrojo que en el visible". Todos estos factores dejan muy atrás al Hubble respecto al James Webb, que promete aportar una cantidad de información extraordinaria a la que España tendrá acceso desde el primer momento.