Esto es lo que observará a continuación el telescopio espacial James Webb

El mundo se reunió la semana pasada en una rara muestra de unidad internacional para contemplar con asombro la primeras imágenes científicas producido por el telescopio espacial James Webb. Con décadas de desarrollo y el resultado de los esfuerzos de miles de personas de todo el mundo, el El telescopio está destinado a revolucionar la astronomía al permitirnos mirar más profundamente que nunca en el cosmos. antes.

Webb tiene el espejo más grande jamás lanzado al espacio, así como el parasol más grande, y es el telescopio espacial más poderoso jamás construido. Las primeras imágenes son sólo una muestra de lo que esta extraordinaria pieza de tecnología es capaz de hacer. Entonces, para obtener más información sobre las futuras investigaciones científicas que permitirá este gigante, hablamos con Mark McCaughrean, científico interdisciplinario de Webb en la Agencia Espacial Europea.

McCaughrean será uno de los primeros investigadores en utilizar Webb para su trabajo en el Nebula de Orión, y ha estado involucrado en la planificación del telescopio durante más de 20 años. Nos contó todo acerca de cómo Webb ampliará las fronteras de la astronomía y permitirá descubrimientos que ni siquiera hemos empezado a imaginar.

Ver el universo en infrarrojos

Cuando los astrónomos empezaron a imaginar a Webb en la década de 1980, tenían un plan específico en mente: querían una herramienta de investigación cosmológica para observar las primeras galaxias del universo.

Los científicos sabían que estas galaxias tempranas estaban ahí fuera y estaban cerca de ser accesibles para nosotros porque el Telescopio Espacial Hubble había observado algunas galaxias bastante tempranas. Al observar la longitud de onda de la luz visible, Hubble pudo identificar cientos de estas galaxias, que se formaron unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang. Pero estas galaxias ya se habían formado y los investigadores querían mirar aún más atrás para ver cómo se estaban formando.

Para ello, necesitaban una herramienta que pudiera mirar en la longitud de onda infrarroja, más allá de la luz visible. Esto se debe a que las primeras galaxias emitían luz visible tal como lo hacen las galaxias actuales. Pero el universo se está expandiendo con el tiempo y eso significa que las galaxias que vemos en el cielo se están alejando de nosotros. Cuanto más antigua es la galaxia, más lejana está. Y esta distancia provoca un fenómeno llamado corrimiento al rojo.

Similar al efecto Doppler, en el que los sonidos cambian su tono percibido a medida que la distancia entre La fuente y el observador cambian, la longitud de onda de la luz cambia a medida que su fuente se aleja de ella. a nosotros. Esta luz se desplaza hacia el extremo más rojo del espectro, de ahí el nombre de corrimiento al rojo.

Las galaxias más antiguas, por tanto, tienen luz tan desplazada al rojo que ya no es observable como luz visible. En cambio, es visible en forma de infrarrojos, y esta es la longitud de onda en la que opera Webb.

Así es como Webb puede detectar e identificar las galaxias más tempranas. Si Webb puede ver una galaxia que brilla intensamente en el infrarrojo, pero que es tenue o invisible para los telescopios basados ​​principalmente en luz visible como Hubble, entonces los investigadores pueden estar seguros de que han encontrado una galaxia que está extremadamente desplazada al rojo, lo que significa que está muy lejos y, por lo tanto, muy lejos. viejo.

Incluso en el primera imagen de campo profundo Desde Webb se pueden ver algunas galaxias extremadamente antiguas. El cúmulo de galaxias en el que se centra la imagen tiene 4.600 millones de años, pero debido a su masa, curva el espacio-tiempo a su alrededor. Esto significa que la luz proveniente de las galaxias detrás de este cúmulo también está desviada, por lo que el cúmulo actúa como una lupa en un efecto llamado lente gravitacional. Algunas de las galaxias Los que se ven en este campo profundo tienen alrededor de 13 mil millones de años, lo que significa que se formaron en los primeros mil millones de años del universo.

Ampliarse para hacer más

Sin embargo, si Webb fue conceptualizado originalmente como una herramienta cosmológica, pronto se expandió hasta convertirse en mucho más que eso.

Después de décadas de planificación para Webb, los diseñadores se dieron cuenta de que la herramienta que estaban construyendo podría usarse en campos mucho más diversos que la cosmología. Agregaron nuevos instrumentos, como MIRI, que mira en la longitud de onda del infrarrojo medio en lugar del infrarrojo cercano y es más útil para estudiar la formación de estrellas y planetas que la cosmología. Esa diferencia plantea su propio desafío, ya que este instrumento tiene diferentes detectores de los otros instrumentos y requiere su propio refrigerador. Pero, junto con otros instrumentos, amplía lo que Webb puede hacer a toda una gama de posibilidades.

"El foco original del telescopio estaba mucho más centrado en el universo de alto corrimiento al rojo", resumió McCaughrean. “Ese era el objetivo más importante: encontrar estas primeras estrellas y galaxias que se formaron después del Big Bang. Es bueno tener todo lo demás después de eso. Pero a lo largo del progreso del proyecto, logramos convertirlo en cuatro temas: cosmología, formación estelar, ciencia planetaria y evolución de galaxias. Y nos aseguramos de que el observatorio fuera capaz de realizar todo eso”.

Cámaras y espectrógrafos

Webb tiene cuatro instrumentos a bordo: la cámara de infrarrojo cercano o NIRCam, el espectrógrafo de infrarrojo cercano o NIRSpec, el generador de imágenes de infrarrojo cercano y espectrógrafo sin ranura o NIRISS, y el instrumento de infrarrojo medio o MIRI. También hay un sensor llamado Sensor de Orientación Fina (FGS), que ayuda a apuntar el telescopio en la dirección correcta.

Los instrumentos son una combinación de cámaras y espectrógrafos, que son instrumentos para dividir la luz en diferentes longitudes de onda para que puedas ver qué longitudes de onda han sido absorbidas. Esto le permite ver de qué está compuesto un objeto observando la luz que emite.

Si bien las imágenes tomadas por las cámaras atraen la mayor atención del público, no se deben subestimar los espectrógrafos como herramienta científica. Aproximadamente la mitad del tiempo de observación asignado actualmente se dedica a la espectroscopia, para tareas como analizar la composición de las atmósferas de los exoplanetas. En parte, esto se debe a que se necesita más tiempo para tomar el espectro de un objeto que para tomarle una imagen, y en parte porque la espectroscopia puede hacer cosas que las imágenes no pueden hacer.

Las cámaras y los espectrógrafos también funcionan juntos, ya que los filtros utilizados en las imágenes son útiles para seleccionar objetos para estudiar con los espectrógrafos.

"Imagínese que hace un campo profundo y toma algunas imágenes profundas con NIRCam", explicó McCaughrean. “Luego se utilizan diferentes filtros para seleccionar candidatos, porque habrá demasiadas cosas para observar en ese campo, una por una, con espectroscopia. Por lo tanto, se necesitan imágenes para encontrar los candidatos”, por ejemplo, observando los colores de una imagen para decidir que un objeto determinado es, por ejemplo, una galaxia de alto corrimiento al rojo y no una estrella cercana débil.

Esto ya se ha demostrado en la práctica, con La primera imagen de campo profundo de Webb. La imagen se tomó con la cámara NIRCam, que fue capaz de captar una gran cantidad de galaxias cercanas y lejanas en una imagen impresionante. Entonces objetivos particulares, como un galaxia de más de 13 mil millones de años, fueron seleccionados y observados con el espectrógrafo NIRSpec, recopilando datos sobre la composición y temperatura de esta galaxia temprana.

"Es un espectro tan hermoso y limpio", dijo McCaughrean. “Nunca antes nadie había visto algo así en ningún lugar. Ahora sabemos que esta máquina funciona de manera increíblemente poderosa”.

Múltiples modos

Para comprender todas las capacidades de Webb, debe saber que los cuatro instrumentos no tienen un solo modo cada uno: se pueden usar de múltiples maneras para observar diferentes objetivos. En total, hay 17 modos entre los cuatro instrumentos, y cada uno de ellos tuvo que ser probado y verificado antes de que el telescopio fuera declarado listo para iniciar operaciones científicas.

Por ejemplo, tomemos el instrumento NIRSpec. Puede realizar varios tipos de espectroscopia, incluida la espectroscopia de rendija fija, que es un modo muy sensible para investigar objetivos individuales. (como el análisis de la luz emitida por la fusión de estrellas de neutrones llamada kilonova), o espectroscopia de unidad de campo, que analiza los espectros de múltiples píxeles en un área pequeña para obtener información contextual sobre un objetivo (como mirar una galaxia extremadamente distante que ha sido deformada por la gravedad). lentes).

El tercer tipo de espectroscopia que realiza NIRSpec es algo realmente especial llamado espectroscopia multiobjeto. Utiliza pequeñas contraventanas parecidas a ventanas dispuestas en un formato llamado conjunto de microobturadores. “Son básicamente dispositivos pequeños de un par de centímetros de ancho, de los cuales tenemos cuatro. En cada uno de esos dispositivos hay 65.000 pequeñas contraventanas individuales”, dijo McCaughrean.

Cada una de estas contraventanas puede controlarse individualmente para abrirse o cerrarse, lo que permite a los investigadores seleccionar qué partes de un campo están mirando. Para utilizar estos microobturadores, los investigadores primero toman una imagen utilizando otro instrumento como NIRCam para seleccionar los objetos de interés. Luego ordenan que se abran las contraventanas correspondientes a estos objetos de interés, mientras que las demás permanecen cerradas.

Esto permite que la luz de los objetivos, como galaxias concretas, brille hacia los detectores del telescopio, sin permitir que se filtre también la luz del fondo. “Con sólo abrir la puerta donde está la galaxia y cerrar todas las demás puertas, cuando la luz entra desde Ese objeto, se expande en un espectro y no pasa toda la otra luz”, McCaughrean dicho. "Eso lo hace más sensible".

Esta espectroscopía de objetos múltiples se puede utilizar para observar galaxias particulares en imágenes de campo profundo, lo que es especialmente útil para estudiar las galaxias más tempranas que tienen un alto desplazamiento al rojo. Y este método es capaz de obtener espectros de hasta 100 objetos a la vez, lo que lo convierte en una forma muy eficaz de recopilar datos.

Lidiar con demasiada luz

Como demuestran los microobturadores, una parte complicada de trabajar con instrumentos altamente sensibles es lidiar con demasiada luz. Toma el trabajo James Webb lo hará en Júpiter en sus primeros meses de funcionamiento, en realidad es muy difícil obtener imágenes de los anillos y las lunas alrededor de Júpiter porque el planeta en sí es muy brillante. Si el objeto débil que estás tratando de observar está al lado de uno muy brillante, puede alterar tus lecturas y todo lo que ves es la luz del objeto más brillante.

Un problema similar surge cuando se intenta observar exoplanetas distantes, que son muy tenues en comparación con las estrellas que orbitan. Para afrontar este desafío, James Webb tiene otro truco bajo la manga llamado coronagrafía.

Tanto NIRCam como MIRI tienen modos de coronagrafía, cuya forma más simple es colocar un pequeño disco de metal frente al objeto brillante para bloquear su luz. Entonces podrás observar más fácilmente las otras fuentes de luz más tenues a su alrededor. Pero este enfoque tiene sus limitaciones: si el objeto brillante se mueve detrás del disco, su luz puede desbordarse por los bordes y arruinar las observaciones. Podrías hacer el disco más pequeño para que bloquee solo el punto central más brillante del objeto, pero aún tendrías que lidiar con un exceso de luz. Podrías agrandar el disco, pero luego bloquearía otros objetos que estén cerca del objeto brillante.

Entonces, existe otra forma de este modo de coronagrafía que utiliza hardware llamado máscara de fase de cuatro cuadrantes. "Esta es una pieza óptica muy inteligente", dijo McCaughrean. “No tiene un disco de metal, pero tiene cuatro piezas de vidrio diferentes que imparten diferentes fases a la luz que entra. Cuando pensamos en la luz como una onda, en lugar de como fotones, la luz tiene una fase. Si colocas la fuente brillante justo en la cruz donde se unen esas cuatro placas de fase diferentes, puedes Resuélvelo de manera que la luz realmente se cancele en la estrella, debido a la interferencia de las ondas. efecto."

Eso significa que si lo alineas correctamente para que el objeto brillante esté exactamente en el medio de estos cuadrantes, La luz de la estrella se cancelará, pero la luz de otros objetos como los planetas seguirá siendo visible. Eso lo hace ideal para observar exoplanetas que orbitan cerca de sus estrellas anfitrionas y que de otro modo serían imposibles de ver.

Aprovechando el tiempo

Otra forma más de manejar una combinación de objetos brillantes y oscuros es realizar múltiples lecturas a lo largo del tiempo. A diferencia de algo como su teléfono, que toma una fotografía y luego se reinicia inmediatamente, los detectores de Webb pueden tomar múltiples lecturas sin reiniciarse.

"Así que podemos tomar una serie de fotografías a lo largo del tiempo con el mismo detector, a medida que acumula la luz de las fuentes débiles", explica McCaughrean. “Pero cuando miramos los datos, podemos usar las primeras imágenes de las fuentes brillantes antes de que se saturen, y luego seguir acumulando luz a partir de las fuentes débiles y obtener la sensibilidad. Extiende efectivamente el rango dinámico al leer los detectores varias veces”.

Otro modo en el que pueden operar los instrumentos se llama observaciones de series temporales, que básicamente consiste en tomar muchas lecturas una tras otra para capturar objetos que cambian con el tiempo. Esto es útil para capturar objetos que parpadean, como estrellas de neutrones pulsantes llamadas magnetares, o para observar exoplanetas que se mueven a lo largo de la cara de su estrella anfitriona en un movimiento llamado tránsito.

"Cuando un planeta transita frente a la estrella, es necesario captarlo tanto en los bordes del tránsito como en el medio del tránsito", dijo McCaughrean. "Así que sigues mirándolo y sigues tomando datos".

Un desafío de este método es que requiere que el telescopio permanezca en una alineación casi perfecta porque si se moviera aunque sea ligeramente, introduciría ruido en los datos. Pero la buena noticia es que el telescopio está funcionando extremadamente bien en términos de apuntar a un objeto y permanecer en él. lugar, gracias al sensor de guía fina que fija las estrellas cercanas y se ajusta a cualquier perturbación como la solar. vientos.

Desafíos al trabajar con Webb

Como ocurre con cualquier pieza de tecnología, existen limitaciones sobre lo que Webb puede hacer. Una de las grandes limitaciones prácticas para los científicos que utilizan Webb es la cantidad de datos que pueden recopilar del telescopio. A diferencia del Hubble, que orbita alrededor de la Tierra, Webb orbita alrededor del Sol a una posición llamada L2.

Eso está a aproximadamente 1 millón de millas de la Tierra, por lo que Webb está equipado con un potente antena de radio que puede enviar datos a la Tierra a una velocidad de 28 megabits por segundo. Eso es bastante impresionante; como señaló McCaughrean, es sustancialmente más rápido que el Wi-Fi de su hotel que estábamos usando. hablar, incluso a una distancia mucho mayor, pero no se acerca a la cantidad total de datos que los instrumentos pueden tomar por segundo.

El observatorio tiene una pequeña cantidad de almacenamiento de estado sólido, alrededor de 60 GB, que puede registrar datos durante un breve período de tiempo si los instrumentos recopilan más datos de los que pueden enviarse, actuando como un búfer. Puede que esto no parezca mucho en comparación con el tipo de almacenamiento que normalmente obtienes en un teléfono o computadora portátil, pero el Los requisitos de hardware que sea seguro contra la radiación y que pueda soportar décadas de uso son bastante diferentes.

Esta limitación significa que los investigadores deben ser selectivos acerca de qué datos priorizan en los enlaces descendentes del telescopio, eligiendo solo los datos más vitales para sus necesidades. Quizás se pregunte por qué Webb no está ubicado más cerca de la Tierra en ese caso, pero la órbita L2 es esencial para su funcionamiento, y la razón se debe a las temperaturas.

"La gente piensa que el espacio es frío, bueno, no si estás al lado de un objeto grande que te calienta todos los días, como la Tierra o el Sol", dijo McCaughrean. “Entonces, si quieres mirar en el infrarrojo, debes asegurarte de que tu telescopio esté increíblemente frío, de modo que no emita en las longitudes de onda que estás tratando de observar. detectar." Es por eso que Webb tiene un enorme parasol para ayudar a mantenerlo fresco, y por eso está en L2 para que el parasol pueda bloquear el calor tanto del sol como del sol. Tierra.

“Hemos construido un observatorio que debe estar en L2, debe estar allí para que se enfríe, para que pueda ofrecer esta ciencia. Y como está en L2, solo tenemos un cierto ancho de banda”, explicó McCaughrean. "No existe el almuerzo gratis, digámoslo así".

la comunidad decide

El primer año de observaciones de Webb está cuidadosamente planificado. En los primeros cinco meses de operaciones científicas, trabajará en programas científicos de liberación temprana, que son aquellos diseñados para superar los límites del hardware de Webb y ver de qué es capaz. Durante su primer año, trabajará en programas que han sido seleccionados en Ciclo 1, incluida la investigación de exoplanetas, agujeros negros, campos profundos y más.

Más allá de eso, sin embargo, el trabajo futuro que se realizará utilizando Webb está en gran medida abierto. Los investigadores envían propuestas sobre qué datos quieren recopilar utilizando Webb, y estas propuestas son revisadas por pares para seleccionar aquellas que son científicamente más interesantes. "La comunidad decide qué se hace con el observatorio", dijo McCaughrean.

Esta participación de la comunidad ya ha cambiado la forma en que se utiliza Webb; por ejemplo, la investigación de exoplanetas actualmente ocupa aproximadamente un tercio del tiempo de observación disponible en la primera ronda de investigación. Cuando McCaughrean y sus colegas estaban planeando cómo se podría utilizar Webb a principios de la década de 2000, no imaginaron Se estaría realizando tanta investigación sobre exoplanetas porque se habían descubierto muy pocos exoplanetas en ese momento. tiempo.

Esto diferencia a Webb de misiones con un propósito muy específico, como el observatorio Gaia de la ESA, que es diseñado específicamente para hacer un mapa 3D de la galaxia, y más como el Hubble, que fue diseñado para cumplir con muchos necesidades de investigación. "Definitivamente es un observatorio de propósito general", dijo McCaughrean. “Solo hay que mirar el Hubble y cómo ha evolucionado a lo largo de los años. En parte mediante la incorporación de nuevos instrumentos, pero sobre todo mediante la decisión de la comunidad científica de que hay diferentes prioridades y diferentes áreas que deben abordarse”.

Esta flexibilidad es posible porque Webb está diseñado para ser útil para la investigación en una gran cantidad de campos, incluidas aplicaciones en las que aún no hemos pensado. Webb es proyectado para durar al menos 20 años, y apenas hemos comenzado a explorar lo que podría hacer en ese tiempo.

“Eso es lo emocionante. Si se construye un observatorio de propósito general muy poderoso y muy capaz, en muchos sentidos estará limitado simplemente por la creatividad de la comunidad”, dijo McCaughrean. "Webb es lo que hacemos con él ahora".

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