El telescopio James Webb y 8 claves sobre cómo revolucionó a la ciencia en 2022

Como un hermoso e increíble regalo de Navidad, mañana se cumple un año del lanzamiento del telescopio espacial James Webb (JWST), el observatorio que está revolucionando la astronomía y la ciencia.

Calificado por los científicos, y también por los especialistas de la revista Science, como el avance científico del año, el James Webb dejó atrás la histórica misión de desviación de asteroides DART de la NASA.

Después del despliegue de sus 18 espejos que miden 6,5 metros y el parasol del tamaño de una cancha de tenis, el telescopio de 10 mil millones de dólares de costo, que tardó 20 años en construirse, se situó en el punto L2 Lagrange, en el lado más alejado de la Tierra del Sol, para comenzar a tomar las increíbles imágenes del universo, que asombran a los científicos y a la humanidad.

Incluso, menos de seis meses después de las observaciones, estos datos son transformadores y los científicos ya los han utilizado para hacer varios descubrimientos importantes y sin precedentes. JWST fue anunciado como un telescopio revolucionario antes de su lanzamiento. Y ahora que está operativo, confirma lo anteriormente dicho.

La razón principal por la que JWST está funcionando tan bien es por su óptica superlativa, que puede alcanzar su máxima resolución potencial para la mayoría de las longitudes de onda infrarrojas en las que observa el telescopio. Este éxito significa que las imágenes que capta tienen una claridad que no eran inalcanzable por el Telescopio Espacial Hubble y el Telescopio Espacial Spitzer retirado de la NASA , o telescopios más grandes en la tierra como los del Observatorio Keck en Hawai, cuya visión es borrosa por la atmósfera de la Tierra.

Pero con JWST, las estrellas individuales tan juntas que alguna vez fueron indistinguibles ahora se pueden resolver; las estructuras de galaxias muy distantes ahora son discernibles; e incluso algo cercano como los anillos de Neptune pop con el mayor detalle visto en décadas. Aquí, analizamos algunas de las muchas formas en que ya está teniendo éxito en la transformación de la astronomía.

Para ver los preciosos fotones raros de las galaxias más distantes del universo, cuanto más grande sea el telescopio, mejor. Cuanto más lejos está una galaxia de nosotros, más rápido se aleja de nosotros debido a la expansión del universo, por lo que más se estira su luz, cambiando la misma hacia longitudes de onda más rojas. Las galaxias más distantes, que también son las más tempranas que podemos ver, emiten luz que cambia completamente a longitudes de onda del infrarrojo cercano cuando llega a la Tierra. Es este corrimiento al rojo lo que llevó a los científicos a diseñar al JWST para especializarse en luz infrarroja cercana y media.

La combinación del gran espejo y la visión infrarroja ha permitido al JWST ver galaxias anteriores más distantes que los astrónomos nunca antes habían advertido, lo que promete transformar nuestra comprensión de cómo se forman estas galaxias. Precio al lanzamiento del JWST, la galaxia conocida más distante era una llamada GN-z11, que tiene un corrimiento al rojo de 11,1; lo que corresponde a ver la galaxia como era hace 13.400 millones de años, solo 400 millones de años después del Big Bang. Ese era el límite absoluto de lo que podían detectar los telescopios anteriores.

Pero muy poco después de que se publicaran los primeros datos del JWST, ese récord se rompió. Los astrónomos aprovecharon los cúmulos de galaxias en primer plano como Abell 2744 que actúan como lentes gravitacionales: los objetos de gran masa, como los cúmulos de galaxias, deforman el espacio con su gravedad, creando un efecto de lupa que amplifica la luz de objetos más distantes. Los astrónomos comenzaron a encontrar manchas rojas tenues en el fondo de estas lentes, y estas manchas resultaron ser las galaxias más distantes jamás vistas.

Primero fue una galaxia con un corrimiento al rojo de 12,5, llamada GLASS-z12 (GLASS es el nombre de un programa de estudio específico, “Grism Lens-Amplified Survey from Space”). Así, vemos esta galaxia tal como existía hace 13.450 millones de años, o 350 millones de años después del Big Bang, calcularon los astrónomos.

Pronto siguieron galaxias con desplazamientos al rojo aún mayores. Una, apodada Galaxia de Maisie, se ve tal como existió solo 280 millones de años después del Big Bang, con un corrimiento al rojo de 14,3, mientras que otra, con un corrimiento al rojo de 16,7, se ve solo 250 millones de años después del Big Bang. Incluso ha habido afirmaciones de una galaxia con un sorprendente corrimiento al rojo de 20, que, de confirmarse, habría existido solo 200 millones de años después del Big Bang. JWST también está trabajando para confirmar estos hallazgos, utilizando un segundo instrumento para dividir la luz por longitud de onda. Los astrónomos ya han confirmado una galaxia con un corrimiento al rojo de 13,2, que vemos como era cuando el universo tenía solo 325 millones de años.

Después del Big Bang, pero antes de que se formaran las estrellas y las galaxias, el universo estaba oscuro y envuelto en una niebla de gas de hidrógeno neutro. En última instancia, la luz, en particular la radiación ultravioleta, ionizó esa niebla. Pero, ¿de dónde vino inicialmente esa luz para terminar con las edades oscuras cósmicas?

Los astrónomos creen que la luz provino de galaxias jóvenes llenas de estrellas o de agujeros negros supermasivos activos, que están rodeados por discos de acreción de gas brillantemente caliente y que lanzan poderosos chorros al espacio. La cuestión de qué fue primero, las galaxias o sus agujeros negros, es uno de los mayores enigmas de la cosmología, una especie de cuestión de “el huevo o la gallina”.

El JWST ya descubrió que las primeras galaxias que está detectando son más brillantes y más estructuradas de lo esperado, con discos distintos alrededor de núcleos bulbosos que ya están llenos de estrellas. Esta característica sugiere que las galaxias completamente formadas aparecieron rápidamente en escena, pero queda por ver si ya contenían agujeros negros supermasivos. Afortunadamente, JWST está diseñado para responder a esta pregunta, y cuando lo haga, proporcionará una gran pieza del rompecabezas para entender el universo primitivo.

Los astrónomos ahora han encontrado más de 5000 exoplanetas y siguen contando. Pero a pesar de este notable recorrido, todavía no sabemos casi nada sobre muchos de ellos. Un objetivo clave del telescopio es detectar la composición de las atmósferas de los exoplanetas utilizando una técnica llamada espectroscopia de transmisión.

Cuando un planeta pasa frente a su estrella, parte de la luz de la estrella se filtra a través de la atmósfera del planeta, y las moléculas en la atmósfera pueden absorber parte de esa luz estelar, creando líneas oscuras en el espectro de la estrella, un desglose de la luz por longitud de onda similar a un código de barras. Saber qué hay en la atmósfera de un planeta, o incluso si tiene atmósfera, puede enseñar a los astrónomos cómo se pudo haber formado y evolucionado un planeta, cuáles son sus condiciones y qué procesos químicos tienen lugar en esa atmósfera.

El primer resultado de exoplaneta publicado por el JWST fue el espectro de transmisión de WASP-39b, que es un “Júpiter caliente” que orbita una estrella similar al Sol ubicada a 700 años luz de distancia. El telescopio detectó dióxido de carbono en su atmósfera, esta es la primera vez que se registra el gas en un exoplaneta.

Otros gases presentes incluyeron monóxido de carbono, potasio, sodio, vapor de agua y dióxido de azufre, el último de los cuales solo puede crearse a través de la fotoquímica cuando los gases atmosféricos reaccionan con la luz ultravioleta de la estrella del planeta. El espectro mostró, incluso, que había mucho más oxígeno en la atmósfera del planeta que carbono, así como una gran cantidad de azufre.

Los científicos creen que el azufre debe provenir de numerosas colisiones que experimentó WASP-39b con planetesimales más pequeños cuando se estaba formando, dándonos pistas sobre la evolución del planeta que también podría insinuar cómo se formaron los gigantes gaseosos en nuestro propio sistema solar: Júpiter y Saturno. Además, la existencia de dióxido de azufre es el primer ejemplo de un producto de la fotoquímica en un planeta más allá del sistema solar, ya que el compuesto se forma cuando la luz ultravioleta de una estrella reacciona con las moléculas en una atmósfera planetaria.

Si bien, los estudios de planetas como WASP-39b asombran a la humanidad, uno de los “santos griales” de la ciencia de exoplanetas es encontrar otro planeta que sea habitable, como la Tierra; y JWST está bien posicionado para caracterizar mundos extraterrestres.

Las observaciones antes mencionadas de WASP-39b son un buen augurio para los próximos estudios de los planetas del sistema TRAPPIST-1, el cual consta de siete planetas rocosos que orbitan una estrella enana roja ubicada a 40,7 años luz de la Tierra. Cuatro de estos mundos se encuentran en la supuesta zona habitable de la estrella, donde las temperaturas permitirían que el agua líquida persistiera en la superficie. Dadas las condiciones adecuadas, podrían ser potencialmente habitables en diversos grados.

Las observaciones iniciales con el JWST se centran en TRAPPIST-1c, que es el más fácil de observar. Los modelos predicen que tendrá una atmósfera similar a la de Venus, con mucho dióxido de carbono. Si bien TRAPPIST-1c es probablemente demasiado caliente para ser habitable, determinar si tiene una atmósfera y, de ser así, si esa atmósfera posee dióxido de carbono será un gran paso hacia la caracterización de mundos del tamaño de la Tierra. También será una gran tarea, que requerirá 100 horas de tiempo de observación con el JWST, que está llegando a alrededor de 10.000 horas de observaciones durante su primer año.

Los astrónomos saben que algunas estrellas viven por miles de millones de años, pero otras existen por poco tiempo antes de explotar en una supernova o expandirse para convertirse en una gigante roja, que luego expulsa sus capas exteriores hacia el espacio profundo. En ambas situaciones, éstas dispersan grandes cantidades de polvo cósmico, formado por elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, por el espacio.

Resulta que existe una relación entre la masa de una galaxia, su tasa de formación estelar y su abundancia química. Las desviaciones de esta relación con un alto corrimiento al rojo podrían indicar que las galaxias evolucionaron de manera diferente en el universo primitivo. Antes del JWST, los astrónomos solo podían medir de forma fiable la abundancia de varios elementos en las galaxias hasta un corrimiento al rojo de 3,3; en otras palabras, galaxias que existieron hace unos 11.500 millones de años. Pero cuán abundantes eran estos elementos pesados en galaxias anteriores a esta es un misterio y un terreno fértil para que el JWST realmente revolucione nuestra comprensión.

Los primeros resultados del JWST han demostrado que la relación entre la formación de estrellas y la masa se mantiene para las galaxias con desplazamientos al rojo de hasta 8, pero que su abundancia de elementos más pesados es tres veces menor de lo esperado. Esta discrepancia sugiere que las estrellas y las galaxias se formaron más rápido de lo que pensábamos, antes de que suficientes generaciones de estrellas tuvieran la oportunidad de extinguirse y dispersar sus elementos en el cosmos.

Aunque JWST fue diseñado para sondear el espacio profundo, también se comprobó que puede observar a nuestros vecinos más cercanos, y los resultados han sido gratamente sorprendentes. Los astrónomos no estaban seguros de qué esperar cuando el JWST apuntó a Júpiter debido a lo rápido que se mueve y a lo brillante que es el planeta, en comparación con las débiles galaxias distantes que este telescopio suele observar.

A los científicos les preocupaba que Júpiter pudiera sobrecargar los sensibles detectores del JWST o borrar las características más débiles con su resplandor, pero los resultados fueron mejores de lo que se podía imaginar. Las imágenes mostraron los tenues anillos de este gigante y algunas de sus pequeñas lunas, así como las bandas atmosféricas y las auroras del planeta.

Al observar en luz infrarroja cercana y media, con la alta resolución que proporciona el espejo gigante del JWST, los astrónomos pueden mirar más profundamente en la atmósfera de Júpiter para ver qué sucede debajo de las nubes y aprender qué tan profundamente se extienden las nubes. Este telescopio también ha tomado imágenes del lejano Neptuno, de la luna Titán de Saturno y de Marte.

Si bien el retrato del JWST del planeta rojo puede no ser estéticamente agradable, muestra variaciones de temperatura en la superficie de Marte y la absorción del dióxido de carbono en su atmósfera. En el futuro, el telescopio observará Marte para rastrear gases más tenues, como las misteriosas columnas estacionales de metano que podrían originarse en actividad geológica o biológica.

Todos recordamos una de las imágenes más icónicas del Telescopio Espacial Hubble, que fue la de los Pilares de la Creación: columnas de gas molecular de muchos años luz de largo que se encuentran en la Nebulosa del Águila. Esas columnas son viveros cósmicos donde nacen las estrellas. Este año, JWST ha observado también los Pilares de la Creación, y las imágenes resultantes en luz infrarroja cercana y media son tan especiales como las originales. Pero las nuevas vistas también son más que “fotografías” bonitas.

La visión infrarroja de JWST es capaz de penetrar a través del polvo de los Pilares para obtener una mejor vista de la formación estelar que ocurre en el interior, mostrando nudos de gas molecular a punto de colapsar en estrellas nacientes. Cuando esas estrellas tienen solo unos cientos de miles de años, comienzan a lanzar chorros que erosionan los bordes de los Pilares.

En otra parte, JWST ha proporcionado una de las miradas más detalladas a una protoestrella de este tipo, conocida como L1527, y cómo interactúa con el gas molecular que se acumula sobre ella, lo que provoca estallidos que están limpiando dos cavidades en la nebulosa con forma de mariposa. Antes del JWST, las observaciones ópticas de estrellas jóvenes estaban limitadas, porque el polvo bloqueaba su luz. Las observaciones de radio y submilimétricas pueden detectar algo de lo que está sucediendo, y los telescopios infrarrojos anteriores podían ver trazos generales pero nada detallado. JWST ahora ofrece la resolución necesaria para revelar los secretos de la formación estelar con mucho más detalle que nunca.

JWST tomó muchos problemas y dinero para finalmente entrar en órbita. Años de retraso y miles de millones de dólares por encima del presupuesto. Sin embargo, su diseño revolucionario ha abierto un nuevo camino para los telescopios espaciales. En particular, su enorme espejo primario dorado, formado por el despliegue de 18 segmentos hexagonales, fue una ingeniería completamente nueva para permitir que un telescopio de este gran tamaño fuera lanzado al espacio.

En el futuro, el esfuerzo de diseñar y construir el JWST se verá recompensado no solo por los descubrimientos científicos revolucionarios que hará, sino también por cómo inspirará el diseño de la próxima generación de grandes telescopios espaciales.

El informe decenal de las Academias Nacionales de EEUU sobre las prioridades de astrofísica en los próximos 10 años recomendó como proyecto de máxima prioridad el desarrollo de un gran telescopio óptico y ultravioleta para reemplazar al Hubble, en algún momento de la década de 2040. Este telescopio tendría como mínimo un diámetro de espejo de 8 metros, una hazaña que solo puede lograrse mediante el diseño segmentado iniciado por JWST.

Pero eso no es todo, ya que el tamaño de un cohete no limita las dimensiones de su telescopio; si no cabe dentro del cohete, entonces se puede plegar, al igual que JWST. Independientemente de los descubrimientos que hagan estos futuros telescopios espaciales, tendremos que agradecer al Webb por ello.

*Infografías: Marcelo Regalado

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