Telescopio espacial James Webb

Telescopio espacial James Webb

Telescopio espacial James Webb

 

Estado: En órbita

Operador: CSA, NASA,¹​ ESA

Coste: 10 000 000 000 dólares estadounidenses²​

ID COSPAR: 2021-130A

1. SATCAT: 50463

ID NSSDCA: 2021-130A

Página web:

[CSA/ASC Canadá

NASA Estados Unidos

ESA b Europa

CNES Francia enlace]

 

Duración planificada: 5-10 años

Duración de la misión: 168 días y 7 horas

Propiedades de la nave

Fabricante: Northrop Grumman Ball Aerospace

Masa de lanzamiento: 6200 kg

Comienzo de la misión

Lanzamiento: 25 de diciembre de 2021 (12:20 UTC)

Vehículo: Ariane 5

Lugar: Puerto espacial de Kourou, Guayana Francesa

Contratista: Arianespace

Parámetros orbitales

Sistema de referencia: 1,5 millones de km de la Tierra (Tierra-Sol punto L₂ órbita de halo)

Insignia de la misión Telescopio espacial James Webb

El telescopio espacial James Webb (en inglés, James Webb Space Telescope (JWST)) es un observatorio espacial desarrollado a través de la colaboración de veinte países,³​ construido y operado conjuntamente por la NASA, la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Canadiense, para sustituir los telescopios Hubble y Spitzer.⁴​⁵​ El JWST ofrecerá una resolución y sensibilidad sin precedentes, y permitirá una amplia gama de investigaciones en los campos de la astronomía y la cosmología.⁶​ Uno de sus principales objetivos es observar algunos de los eventos y objetos más distantes del universo, como la formación de las primeras galaxias. Este tipo de objetivos están fuera del alcance de los instrumentos terrestres y espaciales actuales. Entre sus objetivos están incluidos estudiar la formación de estrellas y planetas y obtener imágenes directas de exoplanetas y novas.

Entre sus principales características técnicas hay que destacar el espejo primario de JWST, compuesto por 18 segmentos hexagonales que, combinados, crean un espejo con un diámetro de 6,5 metros (21 pies 4 pulgadas), un gran aumento con diferencia sobre el espejo utilizado por el Hubble, de 2,4 metros (7,9 pies), el parasol y cuatro instrumentos científicos. El telescopio se sitúa en el espacio cerca del punto lagrangiano Tierra-Sol L₂,⁷​ está protegido por un gran parasol, hecho de cinco hojas de Kapton revestido de aluminio y silicio, que mantendrá al espejo y sus cuatro instrumentos científicos principales a temperaturas cercanas al cero absoluto. A diferencia del Hubble, que observa en los espectros ultravioleta cercano, visible e infrarrojo cercano, el JWST observará en la luz visible de longitud de onda larga (naranja a rojo) a través del rango del infrarrojo medio (0,6 a 27 μm). Esto permitirá que el JWST realice una amplia gama de investigaciones a través de muchos subcampos de la astronomía,⁸​ que observe y estudie las primeras estrellas, de la época de reionización, formación de las primeras galaxias, tome fotografías de nubes moleculares, grupos de formación estelar, objetos con alto desplazamiento hacia el rojo demasiado viejos y demasiado distantes para que pudieran ser observados por el Hubble y otros telescopios anteriores.⁹​

En desarrollo desde 1996,¹⁰​ lo denominaron inicialmente como Next Generation Space Telescope o NGST, en 2002 fue denominado James E. Webb, en honor al funcionario del gobierno estadounidense que fue administrador de la NASA entre 1961 y 1968 y jugó un papel integral en el programa Apolo.¹¹​¹²​ El proyecto ha tenido numerosas demoras y gastos excesivos, siendo sometido a importante rediseño durante 2005. En 2011, parte del Congreso de los Estados Unidos optó por su cancelación, después de haber empleado en su desarrollo aproximadamente 3000 millones de dólares¹³​ estando en producción o en fase de pruebas más del 75% de su hardware.¹⁴​ En noviembre de 2011, el Congreso revocó los planes para cancelar el proyecto y en su lugar puso un tope de financiación adicional para completar el proyecto en 8000 millones de dólares.¹⁵​ En diciembre de 2016, la NASA anunció que la construcción del JWST había finalizado y comenzaría su fase de pruebas.¹⁶​ ¹⁷​ En marzo de 2018, la NASA retrasó el lanzamiento de JWST un año más porque el parasol del telescopio se rasgó durante un despliegue de práctica y los cables del parasol no se apretaron lo suficiente.¹⁸​ Estaba previsto que el JWST fuera a ser lanzado en mayo de 2020¹⁹​²⁰​²¹​²²​²³​ desde la Guayana Francesa.²⁴​

El 27 de junio de 2018, tras detectarse varios problemas, tanto técnicos como humanos, durante las pruebas, la NASA decide posponer el lanzamiento del telescopio al 30 de marzo de 2021, después de que la junta de revisión que evalúa el proyecto emitiera un informe contrario a las expectativas respecto al cronograma previsto por el contratista y el proceso de la misión en general incluyendo los errores.²⁵​²⁶​²⁷​²⁸​²⁹​³⁰​³¹​³²​

El 10 de junio de 2020, Thomas Zurbuchen, Administrador Asociado de la Dirección de Misiones Científicas de la NASA, anunció que el lanzamiento del telescopio James Webb se retrasaría, y no podría salir el 10 de marzo de 2021, como estaba estipulado. Este retraso fue inevitable debido a la pandemia de COVID-19, la cual hizo que el trabajo en la nave se viera disminuido.³³​

Tras superar la prueba final de vacío térmico, el JWST demuestra que funcionará en el espacio. ³⁴​³⁵​

• El telescopio James Webb fue lanzado con éxito, el 25 de diciembre de 2021, a bordo de un cohete

Descripción

El JWST es un proyecto conjunto de la NASA, la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Canadiense, donde colaboran aproximadamente 17 países más.

Las contribuciones de Europa se formalizaron en 2007 con un Memorando de Entendimiento ESA-NASA, que incluye el lanzador Ariane-5 ECA, el instrumento NIRSpec, el montaje del banco óptico MIRI, y soporte de personal para las operaciones.³⁹​

El telescopio se espera que tenga una masa de aproximadamente la mitad del telescopio espacial Hubble, aunque su espejo primario (un reflector de berilio recubierto de oro de 6,5 metros de diámetro) tendrá un área de recolección aproximadamente cinco veces mayor (25 m² o 270 pies cuadrados vs. 4,5 m² o 48 pies cuadrados). El JWST está orientado hacia la astronomía cercana al infrarrojo, pero también puede ver la luz visible naranja y roja, así como también la región del infrarrojo medio, dependiendo del instrumento. El diseño enfatiza el infrarrojo cercano al medio por tres motivos principales: los objetos con alto desplazamiento hacia el rojo tienen sus emisiones visibles desplazadas al infrarrojo, los objetos fríos como los discos de escombros y los planetas emiten más fuertemente en el infrarrojo, y esta banda es difícil de estudiar desde el suelo o por los telescopios espaciales actuales como el Hubble. Los telescopios terrestres tienen que observar atravesando la atmósfera, que es opaca en muchas bandas infrarrojas. Incluso donde la atmósfera es transparente, muchos de los compuestos químicos que son objetivo, como el agua, el dióxido de carbono y el metano, también existen en la atmósfera terrestre, lo que complica enormemente el análisis. Los telescopios espaciales actuales como el Hubble no pueden estudiar estas bandas ya que sus espejos no son lo suficientemente fríos (el espejo del Hubble se mantiene a unos 15 °C) y, por lo tanto, el telescopio irradia con fuerza en las bandas IR.

El JWST operará cerca del punto de Lagrange Tierra-Sol L₂, aproximadamente a 1500 000 km (930 000 millas) más allá de la órbita de la Tierra. A modo de comparación, el Hubble orbita a 340 millas (550 km) sobre la superficie de la Tierra, y la Luna está aproximadamente a 400 000 km (250 000 millas) de la Tierra. Esta distancia hace que la reparación o actualización posterior al lanzamiento del hardware del JWST sea prácticamente imposible. Los objetos cercanos a este punto pueden orbitar el Sol en sincronía con la Tierra, lo que permite que el telescopio permanezca a una distancia aproximadamente constante⁴⁰​ y tiene obligado utilizar una barrera solar para bloquear el calor y la luz del Sol y la Tierra. Esto mantendrá la temperatura de la nave espacial por debajo de 50 K (-220 °C; -370 °F), necesaria para las observaciones de infrarrojos.⁴¹​⁴²​

Vista de tres cuartos de la parte superior

Parte inferior (lado orientado al sol)

Barrera solar

Probando el despliegue del parasol en el hangar de pruebas en la instalación Northrop Grumman en California, año 2014

Para realizar observaciones en el espectro infrarrojo, el JWST debe mantenerse a una temperatura muy baja, aproximadamente por debajo de 50 K (-220 °C; -370 °F), de lo contrario, la radiación infrarroja del propio telescopio podría bloquear o sobrecargar sus instrumentos. Para evitarlo utiliza un gran parasol que bloquea la luz y el calor del Sol, la Tierra y la Luna, además, su posición cercana al punto de Lagrange Tierra-Sol L₂ mantiene los tres cuerpos en el mismo lado de la nave espacial en todo momento.⁴³​ Su órbita halo alrededor del punto L₂ evita la sombra de la Tierra y la Luna, manteniendo una posición constante y aceptable para la barrera solar y los paneles solares.⁴⁰​ El parasol está hecho de película de poliimida y tiene membranas recubiertas con aluminio en un lado y silicio en el otro.

El parasol está diseñado para doblarse doce veces, por lo que cabe dentro de la cubierta del cohete Ariane 5 de 4,57 m (5 yardas) × 16,19 m (17,7 yardas). Una vez ubicado el telescopio en el punto L₂, el parasol se desplegará a 21,197 m (23,18 yardas) × 14,162 m (15,55 yardas). El parasol fue ensamblado a mano en Man Tech (NeXolve) en Huntsville, Alabama, antes de ser entregado a Northrop Grumman en Redondo Beach, California, Estados Unidos, para su prueba.⁴⁴​

Óptica

Ensamblado del espejo principal en el Centro de vuelo espacial Goddard, mayo de 2016

Modelo NIRCam

El espejo primario de JWST es un reflector de berilio de 6,5 metros de diámetro, recubierto de oro, con un área de recolección de 25 m². Estas dimensiones son demasiado grandes para los vehículos de lanzamiento actuales, por lo que al espejo lo componen 18 segmentos hexagonales, que se desplegarán después una vez que se haya abierto el telescopio. La detección del frente de onda plano de la imagen a través de la recuperación de fase se usará para colocar los segmentos del espejo en la ubicación correcta usando micromotores muy precisos. Con posterioridad a esta configuración inicial, solo necesitarán breves encendidos cada pocos días para mantener un enfoque óptimo,⁴⁵​ siendo distinto a los telescopios terrestres como el Observatorio W. M. Keck, que continuamente ajustan los segmentos de su espejo utilizando ópticas activas para superar los efectos de la carga gravitacional y del viento, y es posible debido a la falta de perturbaciones ambientales por estar ubicado en el espacio.

El diseño óptico de JWST es un telescopio de tres espejos anastigmático,⁴⁶​ que hace uso de espejos curvos secundarios y terciarios para obtener imágenes libres de aberraciones ópticas en un amplio campo. Además, hay un espejo de dirección rápido, que puede ajustar su posición muchas veces por segundo para proporcionar estabilización de imagen.

Ball Aerospace & Technologies es el principal subcontratista para el proyecto JWST, dirigido por el contratista principal Northrop Grumman Aerospace Systems, siendo dirigidos todos por el Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA, en Greenbelt, Maryland.⁴⁷​⁴⁸​ Dieciocho segmentos de espejos primarios, espejos de dirección secundarios, terciarios y sensibles, más repuestos de vuelo han sido fabricados y pulidos por Ball Aerospace en segmentos de berilio fabricados por varias empresas, entre ellas Axsys, Brush Wellman y Tinsley Laboratories.

Modelo NIRSpec

El último segmento del espejo primario fue instalado el 3 de febrero de 2016,⁴⁹​ y el espejo secundario fue instalado el 3 de marzo de 2016.⁵⁰​

Instrumentos científicos

El Integrated Science Instrument Module (ISIM) es un módulo que proporciona energía eléctrica, recursos informáticos, refrigeración y estabilidad estructural para el telescopio. Está fabricado con un compuesto de grafito-epoxi y va unido a la parte inferior de la estructura del telescopio. En el ISIM se integran cuatro instrumentos⁵¹​ científicos que se describen a continuación y una cámara guía.⁵²​

Modelo MIRI a escala 1:3

• Near InfraRed Camera (NIRCam), cámara infrarroja con cobertura espectral que irá desde el borde de lo visible (0,6 micrómetros) hasta el infrarrojo cercano (5 micrómetros).⁵³​⁵⁴​ También servirá como sensor de frente de onda del observatorio, necesario para actividades de detección y control de frente de onda. Construida por un equipo dirigido por la Universidad de Arizona, siendo Investigadora Principal Marcia Rieke. El socio principal es Lockheed Martin Advanced Technology Center, ubicado en Palo Alto, California.⁵⁵​

• Near InfraRed Spectrograph (NIRSpec), espectroscopio que realizará sus funciones en el mismo rango de longitud de onda. Construido por la Agencia Espacial Europea en el Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial (ESTEC) en Noordwijk, Holanda. El equipo fue desarrollado entre varios centros y organizaciones espaciales como Airbus Defence and Space, Ottobrunn and Friedrichshafen, Alemania, y el Centro de vuelo espacial Goddard; siendo Pierre Ferruit (Escuela Normal Superior de Lyon) el científico supervisor encargado del proyecto. El diseño de NIRSpec tiene tres modos de observación: un modo de baja resolución que utiliza un prisma, un modo multiobjeto R~1000 y una unidad de campo integral R~2700 o modo de espectroscopia de ranura larga.⁵⁶​ La conmutación entre los modos se realiza mediante un mecanismo de preselección de longitud de onda conocido como Filter Wheel Assembly, y seleccionando el elemento dispersivo correspondiente (prisma o rejilla) utilizando el mecanismo de Grating Wheel Assembly.⁵⁶​ Ambos instrumentos se desarrollaron basándose en el instrumento ISOPHOT instalado también en el Observatorio Espacial Infrarrojo. El modo multiobjeto se basa en un complejo mecanismo de microobturador que permitirá observar simultáneamente cientos de objetos individuales en cualquier parte del campo de visión de NIRSpec. Los mecanismos y sus elementos ópticos fueron diseñados, integrados y probados por la empresa alemana Carl Zeiss.⁵⁶​

• Mid-InfraRed Instrument (MIRI), instrumento que medirá el rango de longitud de onda del infrarrojo medio de 5 a 27 micrómetros.⁵⁷​⁵⁸​ Compuesto por cámara de infrarrojo medio y un espectrómetro de imágenes.⁴⁷​ Fue desarrollado en colaboración entre la NASA y un consorcio de países europeos, está dirigido por George H. Rieke (Universidad de Arizona) y Gillian Wright (UK Astronomy Technology Centre, Edimburgo, miembro del Science and Technology Facilities Council (STFC)).⁵⁵​ MIRI presenta mecanismos de rueda similares a NIRSpec, que también han sido desarrollados y construidos por Carl Zeiss Optronics GmbH (subcontratada a su vez por Max Planck Institute for Astronomy. El instrumento una vez construido se entregó al Centro de vuelo espacial Goddard a mediados de 2012 para su eventual integración en el ISIM. La temperatura del MIRI no debe superar los 6 Kelvin (K): un enfriador mecánico de gas de helio ubicado en el lado cálido del escudo ambiental conseguirá reducirlo a tan baja temperatura.⁵⁹​

• Fine Guidance Sensor and Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS), estabilizador fabricado por la Agencia Espacial Canadiense bajo la supervisión del científico John Hutchings (Herzberg Institute of Astrophysics, National Research Council (Canadá)), estabilizará la línea de visión del observatorio durante las observaciones científicas. Las mediciones del FGS se usan tanto para controlar la orientación general de la nave espacial como para conducir el espejo de dirección para estabilizar la imagen. La Agencia Espacial Canadiense también proporcionará un instrumento que observará el infrarrojo cercano y espectrógrafo Slitless (NIRISS) para imágenes astronómicas y espectroscopía en el rango de longitud de onda de 0,8 a 5 micrómetros, cuya dirección la supervisa el investigador principal René Doyon de la Universidad de Montreal.⁵⁵​ Debido a que el NIRISS está físicamente montado junto con el FGS, a menudo se les reconoce como una sola unidad, pero sus análisis son completamente distintos, uno es un instrumento científico y el otro forma parte de la infraestructura de soporte del observatorio.

NIRCam y MIRI tienen coronógrafos bloqueadores de luz estelar para poder observar objetivos débiles como planetas extrasolares y discos circunestelares cercanos a estrellas brillantes.⁵⁸​

Los detectores infrarrojos de los módulos NIRCam, NIRSpec, FGS y NIRISS son suministrados por Teledyne Imaging Sensors (anteriormente Rockwell Scientific Company). Los sistemas instalados en el JWST, así como de los instrumentos ISIM y del ICDH utilizan el protocolo SpaceWire para transmitir datos entre los instrumentos científicos y el equipo donde se analizan.⁶⁰​

Bus

Diagrama del Spacecraft Bus. El panel solar es de color verde y las alas de color púrpura claro son tonos de radiadores.

El bus o plataforma es el principal componente del telescopio espacial James Webb y alberga gran cantidad de piezas de computación, comunicación, propulsión y estructurales, uniendo las diferentes partes del telescopio.⁶¹​ Junto con la barrera solar, forma el elemento de “nave espacial” del telescopio espacial.⁶²​ Los otros dos elementos principales del JWST son el Integrated Science Instrument Module (ISIM) y el Optical Telescope Element (OTE).⁶³​ En el espacio conocido como “Región 3” de ISIM también está dentro del bus; este espacio incluye también el ISIM Command and Data Handling (ICDH) y el refrigerador criogénico MIRI.⁶³​

El bus está conectado al Optical Telescope Element por medio del Deployable Tower Assembly, que a su vez está conectado con la barrera solar.⁶¹​

Con un peso de 350 kg (aproximadamente 772 lb),⁶​ tiene que estar preparado para soportar el JWST, que tiene un peso aproximado de 6,5 toneladas. Fabricado principalmente de material compuesto de grafito.⁶​ Su montaje se realizó en California en 2015, luego se tuvo que integrar con el resto del telescopio espacial previamente a su lanzamiento.⁶⁴​ El bus puede proporcionar el apuntamiento de un segundo de arco y aísla la vibración hasta dos (2) miliarcosegundos.⁶⁵​

Está ubicado con orientación al Sol, en el lado “cálido” del telescopio, operará a una temperatura de aproximadamente 300 K.⁶²​ Todo instrumento posicionado con orientación al Sol debe poder soportar condiciones térmicas de la órbita del halo del telescopio, que a un lado le da constantemente la luz solar y al otro la sombra por la barrera de la nave espacial.⁶²​

Otro aspecto importante del bus es su equipo central de computación, almacenamiento de memoria y comunicaciones.⁶¹​ El procesador y el software dirigen los datos hacia y desde los instrumentos, al núcleo de memoria de estado sólido y al sistema de radio que puede enviar datos a la Tierra así como recibir órdenes.⁶¹​ La computadora también controla el posicionamiento de la nave espacial, tomando los datos del sensor de los giroscopios y el rastreador de estrellas, y enviando las órdenes necesarias a los instrumentos de posicionamiento o propulsores.⁶¹​

Comparativas

Comparación con el espejo primario del Hubble

Espejos del James Webb

La arquitectura Calisto para SAFIR sería una sucesora de Spitzer, que requeriría un enfriamiento pasivo aún más frío que JWST (5 kelvin).⁶⁶​

Vistas atmosféricas en el infrarrojo: gran parte de este tipo de luz está bloqueada cuando se observa desde la superficie de la Tierra. Sería como mirar un arcoíris pero solo ver un color.

El deseo de tener un gran telescopio espacial infrarrojo se remonta a varias décadas; en los Estados Unidos, se estudió la posibilidad de crear un telescopio en la lanzadera Shuttle Infrared Telescope Facility mientras desarrollaba el Space Shuttle reconociéndose el potencial existente de la astronomía infrarroja en ese instante.⁶⁷​ En comparación con los telescopios de tierra, se sabía que los observatorios espaciales estaban libres de la absorción atmosférica de luz infrarroja; sería como un “cielo nuevo” para los astrónomos.⁶⁷​

La atmósfera tenue por encima de los 400 km de altura no tiene absorción medible, por lo que los detectores que operan en todas las longitudes de onda de 5 µm a 1000 µm alcanzan una alta sensibilidad radiométrica.

– S. G. McCarthy y G. W. Autio, 1978ref name=”proceedings.spiedigitallibrary.org”/>

Sin embargo, los telescopios infrarrojos tienen un inconveniente: necesitan conservarse extremadamente fríos y cuanto más larga es la longitud de onda de los infrarrojos, más fríos deben estar.⁶⁸​ De lo contrario, el calor de fondo del dispositivo bloquea a los instrumentos, dejándolo completamente ciego.⁶⁸​ Este inconveniente puede superarse mediante un cuidadoso diseño de la nave espacial, particularmente colocando el telescopio en un depósito con una sustancia extremadamente fría, como el helio líquido.⁶⁸​ Esto significa que la mayoría de los telescopios infrarrojos tienen una vida útil limitada por su refrigerante, tan breve como cuestión de meses, tal vez pocos años como máximo.⁶⁸​ Hasta ahora ha sido posible mantener la temperatura lo suficientemente baja mediante el diseño de la nave espacial para permitir observaciones de infrarrojo cercano sin un suministro de refrigerante, como por ejemplo las misiones extendidas de Spitzer y NEOWISE. Otro ejemplo es el instrumento NICMOS del Hubble, que comenzó utilizando un bloque de hielo de nitrógeno que se agotó tras un par de años, pero que luego se convirtió en un refrigerador criogénico que funcionaba continuamente. El JWST está diseñado para enfriarse sin depósito, simplemente usando una combinación de barrera contra el sol y radiadores con el instrumento de infrarrojo medio utilizando un refrigerador criogénico adicional.⁶⁹​

Las demoras y los aumentos de presupuestos del telescopio se pueden comparar con el telescopio espacial Hubble.⁷⁰​ Cuando se empezó a hacer realidad el proyecto Hubble en 1972, tenía un presupuesto inicial estimado de 300 millones de dólares (o aproximadamente 1000 millones de dólares de 2006),⁷⁰​ pero cuando fue enviado a órbita en 1990, el presupuesto ascendía aproximadamente a cuatro veces el inicial.⁷⁰​ Además, los nuevos instrumentos instalados y las misiones de servicio asignadas han elevado el presupuesto a por lo menos 9000 millones de dólares en 2006.⁷⁰​

En 2006 se publicó un artículo en la revista Nature donde se reflejaban los resultados de un estudio realizado en 1984 por el consejo de Ciencias del Espacio, donde se estimaba que un observatorio infrarrojo de próxima generación costaría 4000 millones de dólares (cerca de 7000 millones de dólares de 2006).⁷⁰​

A diferencia de otros observatorios propuestos, la mayoría de los cuales ya han sido cancelados o suspendidos, incluidos el Terrestrial Planet Finder (2011), Space Interferometry Mission (2010), International X-ray Observatory (2011), MAXIM (Microarcsecond X-ray Imaging) Misión), SAFIR (Observatorio de Infrarrojo Lejano de Apertura Simple), SUVO (Observatorio Ultravioleta-Visible del Espacio) y el SPECS (Sonda Submilimétrica de la Evolución de la Estructura Cósmica), el JWST es la última gran misión astrofísica de la NASA de su generación construido,

Historia

Participación

NASA, ESA y CSA colaboran en el telescopio desde 1996. ESA participa en la construcción y en el lanzamiento desde el año 2003, tras la aprobación de su colaboración, en 2007 firmó un acuerdo con la NASA. A cambio de una participación plena, representación y acceso al observatorio para sus astrónomos, ESA proporciona el instrumento NIRSpec, el Optical Bench Assembly del instrumento MIRI, un cohete Ariane 5 ECA y mano de obra para apoyar durante las operaciones.⁸⁸​¹³⁰​ El CSA proporcionará el Fine Guidance Sensor and the Near-Infrared Imager Slitless Spectrograph más mano de obra para apoyar las operaciones.¹³¹​

Misión

La misión científica de JWST tiene principalmente cuatro objetivos: encontrar luz de las primeras estrellas y galaxias que se formaron en el universo después del Big Bang; estudiar la formación y evolución de las galaxias; comprender la formación de estrellas y sistemas solares; y estudiar los sistemas planetarios y los orígenes de la vida.¹³⁵​ Estos objetivos se pueden lograr de manera más efectiva mediante la observación en longitudes de onda infrarroja cercana que en la luz en la parte visible del espectro. Por esta razón, los instrumentos de JWST no medirán la luz visible o ultravioleta como el telescopio Hubble, porque tiene una capacidad mucho mayor para realizar astronomía infrarroja. El JWST será sensible en un rango de longitudes de onda de 0,6 (luz naranja) a 28 micrómetros (radiación infrarroja profunda a aproximadamente 100 K (−170 °C; −280 °F)).

El telescopio también se utilizará para recopilar información sobre la luz de atenuación de la estrella KIC 8462852, descubierta en el año 2015, que tiene algunas propiedades anormales de la curva de luz.¹³⁶​

Lanzamiento y duración de la misión

El telescopio James Webb fue lanzado el 25 de diciembre de 2021 desde la Guayana Francesa a bordo de un cohete Ariane 5.³⁶​ En principio estaba previsto que el telescopio estuviera listo para ser lanzado en 2018.¹³⁷​ Tras distintos aplazamientos de fecha de lanzamiento por diversos contratiempos,¹³⁸​ en junio de 2018, se estableció como nueva fecha de lanzamiento el 30 de marzo de 2021³¹​ con un cohete Ariane 5. En junio de 2021 la fecha de lanzamiento vuelve a retrasarse a noviembre. ¹³⁹​ Finalmente el telescopio James Webb fue lanzado el 25 de diciembre de 2021 desde la Guayana Francesa a bordo de un cohete Ariane 5.³⁶​

El observatorio está provisto de un “anillo-interfaz de vehículo de lanzamiento” que podría ser utilizado para que un futuro lanzamiento de aprovisionamiento del observatorio por medio de astronautas o robots, pudiera solucionar problemas de despliegue general. Sin embargo, el telescopio en sí no es útil, y los astronautas no podrían realizar tareas como intercambiar instrumentos, como con el telescopio Hubble.⁴⁷​ El tiempo nominal de la misión es de cinco años, con un límite en principio de diez años.¹⁴⁰​ JWST necesita usar propelente para mantener su órbita de halo alrededor del punto de Lagrange L₂, lo que proporciona un límite superior a su vida útil esperada, y está siendo diseñado para transportar suficiente propelente para diez años.¹⁴¹​ La misión científica programada de cinco años comienza después de una fase de prueba y puesta en marcha de 6 meses.¹⁴¹​ La órbita L₂ es solo metaestable, por lo que requiere un mantenimiento de estación orbital o el objeto se alejará de esta configuración orbital.¹⁴²​

JWST configurado para el lanzamiento

JWST no estará ubicado exactamente en el punto L2, pero hará un círculo alrededor de él en una órbita de halo.

Dos vistas alternativas desde el Telescopio espacial Hubble de la Nebulosa de la Quilla, comparando astronomía ultravioleta y visible (arriba) e infrarroja (abajo). Muchas más estrellas son visibles en este último.

Las observaciones infrarrojas pueden ver objetos ocultos en luz visible, como muestra HUDF-JD2.

Órbita

El JWST estará ubicado cerca del segundo punto de Lagrange (L₂) del sistema Tierra-Sol, que se encuentra a 1 500 000 kilómetros (930 000 mi) de la Tierra, justo enfrente del Sol. Normalmente, un objeto que rodea el Sol más allá de la Tierra tardaría más de un año en completar su órbita, pero cerca del punto L₂ la atracción gravitacional combinada de la Tierra y el Sol permite a la nave orbitar alrededor del Sol a la misma velocidad que la Tierra. El telescopio girará alrededor del punto L₂ en una órbita de halo, que estará inclinada con respecto a la eclíptica, tendrá un radio de aproximadamente de 800 000 kilómetros (500 000 millas) y tardará aproximadamente medio año en completarse.⁴⁰​ Dado que el punto L₂ es solo un punto de equilibrio sin atracción gravitatoria, una órbita de halo no es una órbita en el sentido habitual: el módulo espacial está realmente en órbita alrededor del Sol, y la órbita de halo puede considerarse deriva controlada para permanecer en las proximidades del punto L₂.¹⁴³​ Esto requiere cierto mantenimiento de corrección de la estación: entre 2-4 m/s por año¹⁴⁴​ de un total de 150 m/s estimado para toda la misión, incluyendo correcciones de trayectoria para llegar a la órbita alrededor del punto L₂.¹⁴⁵​ El sistema de propulsión del observatorio lo forman dos conjuntos de propulsores.¹⁴⁶​

Astronomía infrarroja

JWST es el sucesor del telescopio espacial Hubble (HST), y dado que su característica principal reside en la observación infrarroja, también es el sucesor del telescopio espacial Spitzer (SST). JWST superará con creces a ambos telescopios, pudiendo observar muchas más estrellas y galaxias, recientes y más antiguas.¹⁴⁷​ Observar en el infrarrojo es una técnica clave para lograrlo debido al desplazamiento al rojo cosmológico y porque penetra mejor en el oscurecimiento producido por las nubes de polvo interestelar y gas. También permite poder observar objetos más fríos y débiles. Debido a que el vapor de agua y el dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra absorben fuertemente la mayoría de los infrarrojos, la astronomía infrarroja terrestre se limita a rangos de longitud de onda cercanos donde la atmósfera absorbe con menor fuerza. Además, la atmósfera misma irradia en la luz infrarroja, bloqueando a menudo el objeto que se observa. Esto hace que un telescopio espacial sea preferible para la observación infrarroja.¹⁴⁸​

Soporte en tierra y operaciones

El Space Telescope Science Institute (STScI), ubicado en Baltimore, Maryland, en el campus de Homewood de la Universidad Johns Hopkins, fue seleccionado como el Science and Operations Center (S&OC) para el JWST con un presupuesto inicial de 162 200 000 de dólares destinado a apoyar operaciones durante el primer año de funcionamiento tras el lanzamiento.¹⁵²​ Con esta funcionalidad, el STScI será responsable de la operación científica del telescopio y la entrega de productos de datos a la comunidad astronómica. Los datos se transmitirán desde JWST hasta la Tierra a través de la Red del Espacio Profundo de la NASA, se procesarán y calibrarán en el STScI, para ser distribuido posteriormente en línea a los astrónomos de todo el mundo. De forma similar a cómo opera el Hubble, cualquier persona, en cualquier parte del mundo, podrá presentar proyectos para realizar observaciones. Cada año, varios comités de astrónomos examinarán por pares las propuestas presentadas para seleccionar los proyectos a observar en el próximo año. Los autores de las propuestas elegidas generalmente tendrán un año de acceso privado a las nuevas observaciones, después de lo cual los datos estarán disponibles públicamente para su descarga por parte del archivo en línea de STScI.

La mayor parte del procesamiento de datos del telescopio se realiza mediante ordenadores convencionales de una sola placa.¹⁵³​ La conversión de los datos científicos analógicos a formato digital se lleva a cabo mediante el SIDECAR ASIC (System for Image Digitization, Enhancement, Control And Retrieval Application Specific Integrated Circuit). La NASA declaró que el SIDECAR ASIC incluirá todas las funciones de una caja de herramientas de 9 kg (20 lb) en un paquete de 3 cm y consumirá solo 11 milivatios de potencia.¹⁵⁴​ Como esta conversión debe realizarse cerca de los detectores, en el lado más frío del telescopio, usar baja potencia de este circuito integrado será crucial para mantener la baja temperatura necesaria para el buen funcionamiento del JWST.¹⁵⁴​

Despliegue después del lanzamiento

Casi un mes después del lanzamiento, se iniciará una corrección de trayectoria para colocar el JWST en una órbita de halo en el punto lagrangiano L₂.¹⁵⁵​

Linea temporal después del despliegue del JWST⁴⁷​

Programa científico y observaciones

El tiempo de observación de JWST se asignará por medio de un programa conocido como Director’s Discretionary Early Release Science (DD-ERS), el programa Guaranteed Time Observations (GTO) y el programa General Observers (GO).¹⁵⁶​ El programa GTO proporciona el tiempo de observación garantizado para los científicos que desarrollaron componentes de hardware y software para el observatorio. El programa GO proporciona a todos los astrónomos la oportunidad de solicitar tiempo de observación. Los programas GO se seleccionarán a través de una revisión por parte de un Comité de Asignación de Tiempo (TAC), similar al proceso de revisión de propuestas utilizado para el telescopio espacial Hubble. Se espera que el tiempo de observación de JWST sea muy alto, lo que significaría que el número de propuestas de GO enviadas será mucho mayor que el número que se puede aprobar en cualquier ciclo de observación.

Longitudes de onda que serán observadas por el JWST y el área de los telescopios espaciales (NASA).

 

 

 

El JWST en la Guayana Francesa (ESA).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rueda de filtros del instrumento MIRI (NASA/ESA).

 

Comienza la era del James Webb

12 July 2022

El telescopio espacial James Webb ya está funcionando a pleno rendimiento a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra (en el punto de Lagrange L2 del sistema Tierra-Sol). Hoy 12 de julio de 2022 el equipo del JWST ha publicado las primeras imágenes científicas —esto es, no usadas para calibración— obtenidas por los instrumentos del observatorio. El evento había sido planificado cuidadosamente entre las agencias espaciales involucradas —NASA, ESA y CSA— para presentar al mundo el enorme potencial del James Webb, pero a última hora la Casa Blanca decidió adelantarse e hizo pública un día antes una de las cinco imágenes que iban a ser distribuidas. Al fin y al cabo, la NASA, y por extensión, Estados Unidos, contribuye con la mayoría del presupuesto del JWST —Europa participa con un 15% y Canadá con menos del 5%—, así que había que dejar claro quién lidera este ambicioso proyecto. Por otro lado, cierto es que no es nada común ver a todo un presidente de los EE. UU. presentar una imagen astronómica. La imagen del cúmulo galáctico SMACS 0723 y su lente gravitatoria asociada ya es historia y será recordada como la ‘primera imagen del James Webb’.

La nebulosa de Carina vista por el instrumento NIRCam del James Webb (NASA/ESA/CSA/STScI).

No obstante, hoy se han hecho públicas las otras cuatro imágenes previstas —técnicamente, tres imágenes y un espectro— con el objetivo de poder entender mejor las asombrosas capacidades del James Webb. El pasado 8 de julio la NASA y la ESA ya habían anunciado cuáles iban a ser los objetos protagonistas de estas primeras cinco imágenes científicas: la nebulosa de Carina (NGC 3324), el cúmulo de galaxias con lente gravitacional SMACS J0723, un espectro del planeta WASP-96 b, la nebulosa del Anillo del Sur (NGC 3132) y el cúmulo de galaxias conocido como el ‘Quinteto de Stephan’. Como comentábamos, la imagen del cúmulo lejano SMACS J0723 ya había sido publicada el día anterior, pero no por ello el resto de imágenes son menos impresionantes. Pero antes de comentarlas, quizá es conveniente destacar un par de puntos.

¿En qué se diferencian estas imágenes de las obtenidas por el Hubble?

Ante la publicación de estas imágenes son muchos los que se preguntan la diferencia con las que adquiridas por el veterano telescopio espacial Hubble. Se suele explicar que la principal diferencia es que el James Webb opera en el infrarrojo, mientras que el Hubble lo hace en el visible. Pero esto es matizable. El Hubble observa principalmente en el ultravioleta y en el visible, cierto, pero también tiene —y ha tenido— instrumentos capaces de ver el infrarrojo cercano. De hecho, actualmente el Hubble puede ver longitudes de onda de hasta 1,7 micras (infrarrojo cercano). La diferencia es que el JWST prácticamente solo ve en el infrarrojo, de 0,6 a 28 micras, mientras que el Hubble puede contemplar todo el espectro visible y el ultravioleta, además del infrarrojo cercano.

De todas formas, puede haber más diferencias, por ejemplo, entre las imágenes obtenidas por los instrumentos MIRI y NIRCam del James Webb que entre las captadas por la cámara WFC3 del Hubble y la NIRCam del JWST, por lo que dependerá de qué instrumentos exactos estemos hablando. La otra diferencia es el tamaño del espejo primario. El James Webb tiene un espejo de 6 metros de diámetro, mientras que el del Hubble es de 2,4 metros. Esto implica, por un lado, que la máxima resolución que puede alcanzar el JWST es mayor que la del Hubble, y, por otro lado, que es mucho más sensible. Es decir, con el mismo tiempo de observación el James Webb puede captar objetos mucho más débiles que el Hubble.

Región del espectro que cubre cada instrumento del James Webb (NASA).

¿Qué tienen de especial estas primeras imágenes?

Las cinco imágenes publicadas han sido elegidas para demostrar el potencial del observatorio. Por tanto, se han usado todos los instrumentos científicos del JWST. Además, se han seleccionado una serie de objetos astronómicos que concuerdan con los objetivos principales del James Webb: estudio de las primeras galaxias del universo y de la materia y energía oscuras, los núcleos activos de galaxias, investigar la formación y evolución estelar, así como las atmósferas exoplanetarias a través de espectros de transmisión. Solo han quedado fuera de esta primera selección objetos de nuestro sistema solar, aunque bien es cierto que no se trata de objetivos prioritarios para el JWST (pero sin duda veremos alguna imagen del sistema solar más pronto que tarde).

Resumen de las prestaciones de los instrumentos del JWST (NASA).