A hombros de un gigante
En 1675, el famoso físico y matemático Isaac Newton escribió una carta a su contemporáneo y rival, el erudito Robert Hooke. En esa carta, Newton escribe lo que se convertiría en uno de sus comentarios más famosos sobre él: “Si he visto más lejos, ha sido subido a hombros de gigantes”. Con el tiempo, esta simple declaración ha llegado a representar el proceso de la ciencia misma, cada nuevo descubrimiento se basa en el trabajo anterior. Lo mismo es cierto para el Telescopio Espacial Hubble de la NASA y su compañero de observación, el Telescopio Espacial James Webb de la NASA.
Desde su lanzamiento en 1990, el telescopio espacial Hubble le ha brindado a la humanidad una perspectiva única del universo. Desde su punto de vista sobre la atmósfera que distorsiona la luz de la Tierra, el Hubble nos ha brindado vistas claras y detalladas que llegan más lejos en el espacio y más atrás en el tiempo que cualquiera de sus predecesores. Las observaciones de Hubble han trazado la evolución de galaxias, estrellas, nebulosas, cometas, los planetas exteriores y sus lunas. Los descubrimientos del Hubble confirmaron la existencia de agujeros negros en los núcleos de las galaxias, midieron la composición de las atmósferas de los exoplanetas, encontraron las galaxias más distantes hasta la fecha y verificaron la expansión acelerada del universo, un descubrimiento ganador del Premio Nobel de física en 2011. Los hallazgos del Hubble han afectado todos los aspectos de la astronomía, lo que ha dado lugar a más investigaciones y revisiones de los libros de texto, pero sus observaciones han captado más que nuestra curiosidad científica. Hoy encontramos imágenes icónicas de Hubble en loncheras, tazas de café, calcetines, corbatas e incluso camiones de mudanzas. Durante más de 30 años, Hubble ha estimulado nuestra imaginación, inspirando nuestro deseo de aprender más. Para hacer eso, necesitamos ver más lejos y más profundo.
Observatorios de última generación
El telescopio espacial James Webb es el telescopio más grande y técnicamente más avanzado jamás construido. Su tamaño más grande y sus vistas infrarrojas más ricas le permitirán ir más allá de las observaciones de campo profundo del Hubble para mirar hacia atrás durante 13.500 millones de años, presenciando la formación de las primeras estrellas y galaxias a partir de la oscuridad del universo primitivo. Al comparar las galaxias más débiles y tempranas con las majestuosas galaxias espirales y elípticas que vemos hoy, las observaciones de Webb guiarán nuestra comprensión de cómo evolucionan las galaxias durante miles de millones de años, basándose en el trabajo del astrónomo Edwin Hubble y su telescopio homónimo.
La visión infrarroja más profunda de Webb (0,6 micras a 28,5 micras) atravesará el polvo y el gas de las nubes masivas donde se forman las estrellas y los sistemas planetarios. Irá más allá de la vista infrarroja del Hubble para estudiar más a fondo las atmósferas de exoplanetas distantes, tal vez encontrando los componentes básicos de la vida en otras partes del universo.
El Hubble puede observar en luz infrarroja cercana, pero fue optimizado para longitudes de onda de luz ultravioleta y visible más cortas (0,1 micras a 2,5 micras). Esta diferencia hace que Hubble y Webb sean un formidable par de observatorios que juntos cubren un amplio rango de longitudes de onda.
Diseño
Tanto el Hubble como el Webb son telescopios reflectores. Usan espejos curvos en lugar de lentes para recolectar y “doblar” la luz hacia sus diversos instrumentos. Muchos telescopios reflectores tienen dos ópticas curvas principales: un espejo principal grande y cóncavo (forma de cuenco poco profundo) y un espejo secundario mucho más pequeño, convexo (ligeramente arqueado) colocado directamente sobre el espejo principal. Dichos diseños de Cassegrain ofrecen una distancia focal larga (la longitud del camino que toma la luz entrante para enfocarse) en un paquete relativamente compacto al “doblar” el camino de la luz hacia adelante y hacia atrás. Cuanto mayor sea la distancia focal en relación con el diámetro del espejo principal o primario, mayor será el aumento y la profundidad de campo. Sin embargo, Webb es un diseño Anastigmat de tres espejos que incorpora un tercer espejo curvo, o terciario, para lograr un mejor rendimiento óptico en un campo más amplio en comparación con el diseño Ritchey-Chrétien Cassegrain de Hubble.
Aunque tanto el Hubble como el Webb son telescopios reflectores, una mirada rápida a cada uno de ellos revela algunas diferencias obvias. Debido a que Hubble observa el universo desde una órbita justo por encima de la atmósfera de la Tierra, necesita bloquear la luz perdida del Sol y la luz solar reflejada de la Tierra y la Luna para que no entren al telescopio. Para lograr esto, su ensamblaje delantero está envuelto con un escudo de luz de teflón aluminizado y aislado, creando la forma de “tubo” del telescopio. El gran parasol de múltiples capas de Webb no se parece en nada al escudo de luz tubular del Hubble, pero tiene el mismo propósito.
Espejos
El espejo primario de 21,3 pies (6,5 metros) de Webb también es significativamente más grande que el espejo primario de 7,9 pies (2,4 metros) del Hubble, lo que le da a Webb más de seis veces el área de recolección de luz que tiene el Hubble. Esto es importante en las longitudes de onda más largas y tenues de la luz que ve Webb. Debido a que el universo se está expandiendo, la luz de los objetos distantes se estira cuando viaja a la Tierra. Las longitudes de onda de luz más cortas y más azules se estiran hacia longitudes de onda más largas y más rojas. Los objetos distantes que son brillantes en luz ultravioleta o azul aparecerán más rojos, o desplazados hacia el rojo, cuando su luz llegue a la Tierra. También son significativamente más tenues. El espejo principal más grande de Webb recogerá más de esta luz tenue y desplazada hacia el rojo, brindándonos vistas de objetos hasta 100 veces más débiles de lo que el Hubble puede ver. A pesar de su mayor tamaño, Webb ofrecerá aproximadamente la misma resolución en luz infrarroja cercana que el Hubble alcanza en luz visible. La resolución de un telescopio, la cantidad de detalles perceptibles, es proporcional al tamaño del espejo e inversamente proporcional a la longitud de onda de la luz observada. Para que Webb resuelva el mismo nivel de detalle en luz infrarroja de longitud de onda más larga que el Hubble logra en longitudes de onda visibles, su espejo debe ser proporcionalmente más ancho. Con resoluciones similares, los dos telescopios pueden “doblar” sus observaciones de objetos para brindarnos vistas espectaculares de amplio espectro.
El espejo principal del Hubble está hecho de una gran pieza de Ultra-Low Expansion Glass® que está recubierta con capas delgadas de aluminio y fluoruro de magnesio. La capa de aluminio tiene solo 3 millonésimas de pulgada de espesor y proporciona la reflectividad del espejo. La capa de fluoruro de magnesio se recubre sobre el aluminio para protegerlo de la oxidación y para aumentar la reflectividad de la luz ultravioleta.
Con un peso de 828 kg (1825 libras), el espejo del Hubble por sí solo pesa casi una tonelada. Un espejo primario del tamaño de Webb hecho del mismo material sería demasiado pesado para ponerlo en órbita. Para resolver este problema, el espejo de Webb está hecho de berilio, que es fuerte y liviano, y consta de 18 segmentos hexagonales, cada uno de 4,3 pies (1,32 metros) de diámetro y pesa aproximadamente 46 libras (21 kg). Los segmentos del espejo de Webb están cubiertos por una capa reflectante microscópicamente delgada (alrededor de 0,12 onzas) de oro. El oro refleja la luz infrarroja de manera más eficiente, lo que hace que Webb sea extremadamente sensible a las longitudes de onda infrarrojas.
Cada uno de los 18 segmentos de espejo hexagonal de Webb, así como su espejo secundario, tiene una serie de pequeños ensamblajes de motores mecánicos, llamados actuadores, que mueven cada uno en un espacio tridimensional para alinearlos correctamente entre sí. Cada segmento de espejo primario también tiene un actuador adicional dedicado a cambiar su curvatura. Esto permite que los 18 segmentos compartan la misma distancia focal precisa, lo que, combinado con el posicionamiento, es necesario para que los 18 segmentos actúen como un solo gran espejo primario.
El Hubble tiene 24 actuadores conectados a la parte posterior de su espejo. Debido a que el espejo de Hubble está hecho de una sola pieza de vidrio, sus actuadores están dispuestos en dos círculos concéntricos. Pueden hacer pequeñas correcciones en la forma del espejo para compensar distorsiones térmicas muy pequeñas, pero no lo suficiente como para ajustar significativamente su forma.
Debido a que Hubble está optimizado para luz visible y ultravioleta, su espejo principal no necesita ser tan frío como el de Webb. Más de 200 sensores térmicos ayudan a mantener los instrumentos y componentes del Hubble a temperaturas óptimas y una serie de calentadores calienta la parte posterior del espejo principal del Hubble, donde un gran banco óptico alberga los instrumentos científicos del observatorio. Este banco, llamado Estructura del Plano Focal, debe ser rígido y térmicamente estable. Los calentadores del Hubble mantienen una temperatura de 70 grados F (21 grados C), lo que a su vez mantiene la estabilidad del banco óptico.
Órbitas
Para capturar esas longitudes de onda de luz infrarroja más largas y más débiles, Webb no solo necesita ser más grande, sino mucho más frío que el Hubble. A diferencia de los colores del arcoíris de la luz visible, no podemos ver la luz infrarroja con nuestros ojos, pero podemos sentirla. La luz infrarroja es calor o radiación térmica. Es el calor que sientes cuando vuelves la cara hacia el sol, o el calor que irradia una olla en la cocina. Capturar el calor remanente de objetos tan lejanos significa que Webb necesita estar extremadamente frío (-364 grados F o -220 grados C). Tan frío, de hecho, que debe protegerse de la radiación infrarroja que emana del Sol, la Tierra y la Luna. Para hacer eso, debe estar mucho más lejos de la Tierra que el Hubble.
Hubble orbita la Tierra justo por encima de la atmósfera (340 millas o 547 km sobre la Tierra). Webb orbita el Sol con la Tierra, aproximadamente a un millón de millas de distancia de casa alrededor del segundo punto de Lagrange o L2. Desde la perspectiva de Webb, el Sol, la Tierra y la Luna siempre estarán en la misma parte del cielo, lo que permitirá que su enorme parasol bloquee su luz y mantenga frío el telescopio. Un beneficio adicional, las fuerzas gravitatorias del Sol y la Tierra hacen que L2 sea un lugar fácil para que el telescopio mantenga su órbita. En L2, Webb solo necesitará empujes ocasionales de cohetes modestos para mantener una órbita constante.
La proximidad del Hubble a la Tierra requiere que tenga en cuenta una abolladura en nuestro campo magnético. Esta abolladura, llamada Anomalía del Atlántico Sur, recolecta partículas cargadas del Sol que pueden interrumpir las comunicaciones y causar problemas con los sistemas eléctricos. Hubble pasa por esta región durante 10 órbitas consecutivas cada día, casi el 15 por ciento de su tiempo.
Misiones de servicio
Debido a que el Hubble da vueltas justo por encima de la atmósfera de la Tierra, las misiones de mantenimiento de astronautas con el posible regreso del Hubble a la Tierra para una reparación eran parte de su plan a largo plazo. Como resultado, el diseño del telescopio reflejó las dimensiones de su vehículo de lanzamiento y reparación. Hubble cabía cómodamente dentro de la bodega de carga del transbordador espacial. Aproximadamente a un millón de millas de la Tierra (cuatro veces más lejos de la Tierra que de la Luna), no existe una capacidad o plan de servicio actual para Webb. El diseño del telescopio no se basa en misiones de servicio.
Una nueva era dorada de la astronomía
Al igual que el lanzamiento de Hubble en 1990, el lanzamiento de Webb marcará el comienzo de una nueva era de la astronomía observacional. De pie sobre los hombros del Hubble, Webb verá más allá de la visión infrarroja del veterano observatorio para expandir nuestra perspectiva a los confines del universo. Al trabajar con Webb, la visión visible y ultravioleta del Hubble complementará las vistas infrarrojas de Webb. Este poderoso dúo nos brindará asombrosas vistas cósmicas, como las que solo hemos podido imaginar.
Traducción no oficial con fines divulgativos del artículo original en Inglés.
Créditos: NASA