Lo que nos mostrará el telescopio espacial Webb a continuación

Por David W. Brown

Desde que la Agencia Espacial Europea lanzó el telescopio espacial James Webb de la NASA desde la Guayana Francesa, el día de Navidad de 2021, el telescopio ha flotado en el espacio a aproximadamente un millón de millas de la Tierra. Durante su viaje, el JWST se desplegó como una pieza de origami, liberando una serie de paneles solares, una poderosa antena, un panal de espejos dorados y un parasol que parece un par de velas plateadas. Luego, los científicos pasaron más de tres meses alineando sus espejos con precisión nanométrica. Aproximadamente un año después de que el telescopio publicara sus primeras imágenes, Jane Rigby, la principal científica de la NASA que trabaja en el proyecto, me dijo que "ha funcionado no sólo mejor que los requisitos, sino mejor de lo que podríamos haber soñado". Recientemente, el Webb ayudó a demostrar que las galaxias en los primeros mil millones de años del universo eran más activas de lo que se pensaba anteriormente, formando muchas estrellas en grandes explosiones. "Hubo predicciones, pero esto era terra incógnita, más allá del precipicio de lo que el Hubble podía hacer, y las expectativas estaban por todos lados", me dijo Rigby. "Donde teníamos ignorancia, ahora tenemos datos hermosos". Recientemente, para celebrar el primer año de operaciones científicas del telescopio, el equipo Webb publicó una imagen de aniversario del nacimiento de estrellas en el complejo de nubes Rho Ophiuchi, el vivero estelar más cercano a la Tierra.

Los primeros telescopios estaban hechos de dos piezas de vidrio redondeadas dentro de un tubo. Galileo Galilei descubrió las lunas de Júpiter y demostró así que la Tierra no era el centro del universo, con un telescopio que podía ampliar veinte veces. Seis décadas después, Isaac Newton completó el primer telescopio reflector exitoso, utilizando un espejo cóncavo que concentraba la luz de manera mucho más eficiente. A lo largo de los siglos, los telescopios han crecido y mejorado lo suficiente como para detectar objetos celestes cada vez más débiles y lejanos. El Webb representa la culminación de esta progresión. Es cien veces más potente que el Telescopio Espacial Hubble y ve luz infrarroja invisible al ojo humano. (La luz cae en un espectro que va desde longitudes de onda más largas hasta longitudes de onda más cortas: infrarrojo, rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo, violeta, ultravioleta). Fue diseñado, en parte, para recolectar la luz que ha estado viajando a la Tierra desde hace poco tiempo. después del Big Bang. Cuando los astrónomos apuntan su espejo hacia los bordes del espacio, ven el universo tal como era hace trece mil millones de años, cerca del comienzo literal de los tiempos.

Rigby trabaja en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, en Greenbelt, Maryland, y forma parte del equipo del Telescopio Espacial James Webb desde 2010, como astrofísico y, desde junio, como científico senior del proyecto JWST. Hablamos por video chat durante su pausa para el almuerzo; Mientras le hacía preguntas, ella clavó un tenedor en un Tupperware que había traído de casa y luego masticó pensativamente mientras consideraba sus respuestas. Es una narradora animada y a menudo puntúa sus puntos con gestos con las manos y pequeños ajustes en sus gafas negras con montura de carey. Le pregunté sobre el peculiar diseño del telescopio, las formas en que la astronomía da forma a nuestra vida cotidiana y los vacíos en el conocimiento humano que el Webb ya ha comenzado a llenar. Nuestra conversación ha sido editada y condensada.

Cuando se lanzó el Telescopio Espacial Hubble, pronto descubrimos que sus imágenes estaban borrosas. Los ingenieros tuvieron que construir el equivalente a unas gafas. ¿Hubo algún problema de este tipo con JWST desde el principio, dado su complicado despliegue?

Debido a su funcionamiento, cuando el Hubble viajó al espacio, la óptica tenía que ser perfecta. Para JWST, lanzamos espejos que podían repararse solos. Hay dieciocho segmentos de espejo primarios (esos hermosos hexágonos dorados) y la idea es que los diseñes para que sean corregibles en el espacio. Simplemente muévelos hasta que estén en los lugares correctos. Cuando JWST se implementó por primera vez, a través de este largo e iterativo proceso de mirar estrellas brillantes, logramos que todos esos espejos trabajaran juntos como un coro, donde, al principio, cada uno está en su propio tono, su propia canción, su propio género, haciendo lo suyo. Y, al final, están coordinados, cantando en una estrecha armonía de varias partes.

El verdadero problema con JWST era que necesitábamos un telescopio más grande que los cohetes. El cohete que lanzamos tiene poco más de cinco metros de diámetro. Pero solo la parte del telescopio del JWST tiene 6,6 metros de ancho (y luego está todo este parasol debajo que es del tamaño de una cancha de tenis). Una forma de superar el límite de tamaño, que es un desafío fundamental para los telescopios espaciales, es plegarlos. Seis de los segmentos del espejo principal se colocaron detrás del resto de los espejos para el lanzamiento. Luego se desplegaron sobre bisagras. Eso llevó a un diseño en el que no necesitábamos alinearlos perfectamente en el suelo.

Si el tamaño es sólo un desafío para los telescopios espaciales, ¿cuál diría que es el mayor?

Oh Dios mío. Creo que, en este momento, el mayor desafío es simplemente el tiempo. El telescopio es unas cien veces más potente que cualquier cosa que hayamos tenido antes. Durante el mismo tiempo de observación, puede ver cosas cien veces más débiles de lo que podríamos ver con el Hubble o el Telescopio Espacial Spitzer. Así que es esta poderosa bestia y, en el primer año de operaciones científicas, tenemos alrededor de quinientos programas de observación diferentes (en total, miles de personas de todo el mundo) que están utilizando este telescopio.

En un día determinado, observaremos un cuásar, que es un agujero negro en acreción que está tan lejos como podemos ver, y luego, un par de horas más tarde, iremos a observar un asteroide en nuestro propio sistema solar. Entonces podríamos ir a observar una galaxia cercana. Tenemos un cronograma y estamos realizando observaciones que fueron seleccionadas competitivamente por la comunidad científica como las más convincentes. Y estamos haciendo observación tras observación y luego transmitiendo esos datos al mundo. El ingrediente para el descubrimiento es simplemente el tiempo.

¿Cuáles son las principales preguntas que debe responder JWST para que esta misión haya sido considerada un éxito?

Bueno, vale la pena tomarse un momento para retroceder un poco. El Hubble se lanzó en 1990 y se propuso responder tres preguntas clave. Una era: ¿Qué edad tiene el universo? Lo cual es en realidad una medida de qué tan rápido se está expandiendo el universo. Ahora sabemos que esa no era la pregunta más interesante. Al medir esa expansión del universo, los astrónomos llegaron a comprender que la expansión del universo se está acelerando. Ese fue el descubrimiento inesperado.

La segunda fue: ¿Qué son los quásares y cuál es su relación con las galaxias? Bueno, gracias al trabajo con muchos telescopios, incluido el Hubble, ahora sabemos que los quásares son agujeros negros supermasivos de entre un millón y mil millones de masas solares en el corazón de las galaxias que se alimentan de gas, e incluso destruyen estrellas. —y, al hacerlo, brillan tanto o más que sus galaxias madre. Sabemos que todas las galaxias tienen un agujero negro en su corazón, pero la mayoría de ellas están dormidas. Sin embargo, una pequeña fracción de ellos está encendida y abasteciendo de combustible. Realmente no entendemos cómo evolucionan juntos los agujeros negros y sus galaxias madre. Tenemos evidencia de que uno está controlando al otro, pero no sabemos cómo.

En tercer lugar, el Hubble también fue construido para estudiar el gas entre galaxias. Y ahora entendemos que las galaxias se alimentan constantemente de esta red de gas que las une, como esta estructura que atraviesa el vacío con una hermosa especie de geometría filamentosa. Y sabemos que la forma en que las galaxias están conectadas a esa red determina cómo pueden alimentarse y crecer. Es divertido pensar en treinta años atrás y darnos cuenta de lo poco que entendíamos hace treinta años y de lo lejos que hemos llegado.

¿Qué pasa con JWST?

Para JWST, las preguntas que sabíamos que íbamos a hacer eran: ¿Cómo fueron los primeros mil millones de años? ¿Cómo surgieron las galaxias? A partir de los datos que tenemos hasta ahora, vamos a hacer un gran trabajo en esa cuestión. Estamos encontrando galaxias más atrás de lo que creíamos posible. Estamos retrocediendo en el tiempo, hasta unos trescientos millones de años después del Big Bang. El discurso de ascensor que utilizamos cuando se vendió JWST fue que veremos las imágenes de bebés del universo. Y definitivamente lo haremos.

JWST también fue construido para estudiar las atmósferas de planetas que orbitan alrededor de otras estrellas. Ése es el otro caso científico realmente destacado. Y lo estamos haciendo, pero aún no hemos avanzado lo suficiente durante nuestro primer año de observaciones científicas.

¿Qué lagunas científicas llenan las capacidades únicas del JWST?

JWST funciona en infrarrojos. Fue diseñado para ver la luz del universo que es totalmente invisible para el Hubble, que ve principalmente en forma óptica y ultravioleta. La luz más “azul” que JWST puede ver es el tono del vino tinto, y luego se vuelve más roja a partir de ahí.

Debido al Big Bang, el espacio se está expandiendo; no sólo las cosas que hay en el espacio, sino también la estructura del espacio mismo. Y la luz que vemos desde objetos distantes en realidad también se ha visto alargada por la expansión del universo. Eso hace que la luz de esos objetos distantes se estire a longitudes de onda más largas. Se desplaza al rojo, para bajar las energías.

Es realmente genial que podamos ver casi hasta el fin del universo, ¿verdad? Podemos hacerlo porque la luz solo viaja a cierta velocidad: la velocidad de la luz. Estamos estudiando galaxias cuya luz viaja desde hace más de trece mil millones de años. ¡El universo tiene sólo unos 13.800 millones de años! Esas son las imágenes de bebés de literalmente todo y, en particular, de las galaxias bebés que se habrían convertido en galaxias maduras como nuestra Vía Láctea.

¿Por qué más necesita JWST ver en infrarrojos?

Gran parte del universo está lleno de lo que llamamos polvo, pero en realidad se parece más a humo. Y ese humo esconde lo que intentamos ver. En particular, los lugares donde nacen nuevas estrellas son lugares realmente polvorientos. No puedes ver a través de ellos con un telescopio óptico por la misma razón que tus ojos no pueden ver a través de ellos. Un telescopio como el Hubble tampoco puede hacerlo. Pero la luz infrarroja atraviesa el polvo. Nos da una visión de una parte del universo que antes estaba oculta. Creemos que la mitad de las estrellas del universo están ocultas para nosotros, pero usando JWST y el infrarrojo, deberían aparecer a la vista.

Quizás esto sea una limitación de mi educación infantil, pero sabiendo ahora que la luz se estira, tengo curiosidad de de qué otra manera se alterará la luz que viaja durante trece mil millones de años a través de todo el universo antes de llegar aquí. ¿Lo que estamos viendo es lo que realmente parecía?

Entonces estás preguntando, básicamente, ¿les pasó algo a los mensajeros en el camino?

Sí.

En general no, pero en algunos aspectos sí. En realidad, esa es una pregunta realmente encantadora. La luz se estira, pero también puede absorberse. Hay una técnica interesante que podemos aplicar en astronomía: buscamos una linterna distante y luego estudiamos la luz que falta porque ha sido absorbida por el gas en el camino. Los fotones también pueden dispersarse. Pero, aparte de esas dos cosas, realmente no cambia el panorama fundamental. Realmente estamos obteniendo una instantánea de cómo eran las cosas en el pasado. ¡Y ciertamente no aprendí nada de eso en la escuela!

¿Hace cuánto que sabemos todo esto? Una vez leí que, en términos de estructura, la mente humana tenía todo lo necesario para construir el Telescopio Espacial Hubble hace unos cien mil años: simplemente no teníamos la capacidad técnica para hacerlo. Pero, si eso no fuera una limitación, ¿hace cuánto tiempo habríamos sabido las preguntas correctas para construir JWST?

Me encanta esta pregunta, porque tienes razón: los humanos modernos existen desde hace unos cientos de miles de años. Lo sé porque llevé a mi hijo al Salón de los Orígenes Humanos del Smithsonian. Los humanos antiguos habrían conocido la Vía Láctea mucho más íntimamente que nosotros, porque hoy tenemos contaminación lumínica. Pero la astronomía era parte de su vida diaria, tanto en su narración como, una vez que inventamos la agricultura, en cuanto a cuándo plantar los cultivos.

Ciertamente, supongo que la gente habría estado haciendo las grandes preguntas alrededor de las fogatas desde que tuvimos lenguaje y fuimos humanos modernos con cerebros grandes. ¿Cómo empezó todo? ¿Somos diferentes de los demás animales? ¿Qué vino antes de esto? ¿Hay otros planetas? ¿Hay otros lugares como este? Lo realmente interesante de vivir ahora es que podemos obtener algunas respuestas reales a esas preguntas. La tecnología que construyó JWST es la misma tecnología que necesitarías para construir un telescopio para explorar planetas similares a la Tierra alrededor de estrellas cercanas y ver si hay vida. allá. Eso es asombroso, ¿verdad? Siempre nos hemos preguntado, desde que existen los humanos, ¿estamos solos? Pero estamos a una generación de tener la tecnología para simplemente descubrirlo. Ni siquiera una generación. Una o dos décadas.

La hermosa Vía Láctea que se encuentra allí arriba no es la única que tiene ese aspecto. Hay miles. Entonces, ¿cómo surgió? Sólo sabemos de qué están hechas las estrellas desde la fantástica tesis de Cecilia Payne-Gaposchkin de 1925, probablemente la mejor tesis de astronomía jamás escrita. ¡Esa era su tesis! ¿Puedes ceerlo? Todos nos sentamos y decimos: tendré que hacer algo útil para mi tesis. Y la suya fue: Bueno, esto es de lo que están hechas las estrellas. ¡Porque nadie lo sabía! Utilizó esta nueva ciencia de la mecánica cuántica, junto con los datos que estaban apareciendo sobre las huellas dactilares de las estrellas, y descubrió de qué están hechas las estrellas. Eso todavía me deja boquiabierto. Las estrellas están hechas de hidrógeno y helio, con un montón de oligoelementos, y ella lo descubrió. ¿Te imaginas un estado de conocimiento tan abierto?

¿No crees que todavía vivimos en ese mundo de alguna manera?

Quizás lo hagamos. Porque no sabemos cuál es la mayor parte de la masa y la energía del universo. Sabemos de qué está hecho aproximadamente el cuatro por ciento del universo: cosas como nosotros. Materia bariónica. Pero no sabemos qué es la materia oscura, aunque hay mucha más por ahí. Es desconcertante y molesto. Y no sabemos qué es la energía oscura. Es esta extraña fuerza repulsiva la que está haciendo que el universo se expanda cada vez más rápido. Eso es ridículo. ¿Qué es eso? No lo predijimos, pero está ahí. Hay tesis por escribir en las que alguien resuelve la materia oscura, o en las que descubre qué es la energía oscura.

¿Qué pregunta importante y pendiente en astronomía le gustaría más que se respondiera durante su vida?

Oh Dios mío. Sabes, esto me hará sentir un poco como un traidor a mi campo, porque estudio cómo evolucionan las galaxias, cómo las galaxias forman estrellas, y de qué están hechas las galaxias y cómo son. Eso es lo que hago. Y hay suficientes preguntas interesantes e importantes al respecto como para que duren un par de vidas. Pero, por mucho que ame esa ciencia, creo que lo más importante que podría hacer la astronomía es descubrir si estamos solos en el universo. Averigua si hay otros planetas que no sólo sean habitables sino que estén habitados. ¿Cuál es nuestro lugar en el universo? No conozco una pregunta más profunda que esa. Esperaría (pero esto podría ser mi idealista) que, independientemente de la respuesta, nos ayudaría como especie a cuidar mejor el único planeta que sabemos que puede sustentar la vida. Podría darse el caso de que este sea un oasis muy raro en un universo solitario.

¿Son estos telescopios mejores para darnos nuevas preguntas o respuestas definitivas?

A veces nuestros paradigmas son derribados y hacemos retroceder las fronteras de nuestra propia ignorancia. Ahora sabemos, por ejemplo, cómo fabricar oro. Cuando estaba en la escuela de posgrado, no sabíamos en qué lugar del cielo se produce el oro. Ahora sabemos, gracias al Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser, que el oro proviene de cierto tipo de estrella en explosión.

Cuando estaba en la escuela secundaria, no sabíamos cuántos otros planetas había orbitando otras estrellas y qué tan raros podían ser. El TESS de la NASA nos dijo la respuesta. Pero luego hicimos una pregunta más interesante: ¿Cómo son? Así que tenemos que ir y hacer toda la química que está haciendo JWST para entender cómo son esos planetas. Y entonces podríamos decir: Bueno, ¿alguno de ellos podría sustentar la vida? Y esa es todavía una pregunta más complicada. Entonces, tal vez sea que respondamos las preguntas básicas y pasemos a preguntas más matizadas, pero, en cierto modo, más profundas.

Algo que mencionó es que, durante siglos, la astronomía fue invaluable en una franja de la vida cotidiana: desde la agricultura hasta la navegación por el océano y el cálculo de los días santos de obligación. Todos sintieron sus efectos. ¿Cómo es que la astronomía sigue siendo parte del ámbito de lo práctico, o la astronomía hoy prácticamente existe para los astrónomos?

La astronomía todavía sustenta nuestras vidas, y probablemente más que antes. Es simplemente invisible. El GPS utiliza la relatividad general desarrollada y probada en objetos astronómicos. Sin la relatividad, el GPS dejaría de funcionar en un par de minutos. Todavía confiamos en los calendarios para decirnos cuándo hacer las cosas. Medimos cuándo necesitamos agregar estos pequeños segundos intercalares para mantener nuestros calendarios precisos. Cada vez que usa su teléfono para tomar una fotografía, está usando una cámara digital CMOS que fue desarrollada en gran parte para la astronomía. Hay muchos aspectos prácticos, pero no es por eso que hacemos astronomía.

Fundamentalmente, la astronomía se trata de saber cómo llegamos hasta aquí. Y todo el mundo se ha preguntado eso. ¿Como llegué aqui? ¿Cuál es el punto de? ¿Cuál es el panorama general? ¿Qué es más grande que yo? ¿Y qué habrá aquí cuando me haya ido?

¿Es eso lo que nos atrae de las imágenes de JWST?

Creo que hay dos razones por las que la astronomía es tan convincente y ocupa un lugar enorme en la conciencia pública, aunque en realidad no hay muchos astrónomos. Aparecemos en las portadas de los periódicos en parte porque lo que hacemos es visualmente impresionante. Porque el universo es un lugar hermoso y maravilloso. Todavía me sorprende que veamos el universo como hermoso, porque nuestros cerebros no evolucionaron para eso. Evolucionaron para no ser devorados por los tigres dientes de sable. Comunicarse y cooperar, sobrevivir y trabajar juntos. Pero vemos el universo como hermoso. Parte de lo que están haciendo los astrónomos es brindar esa sensación de conexión y asombro. La astronomía nos muestra lo que hay ahí fuera.

La historia que cuentan los datos es que todos los elementos de nuestro cuerpo, excepto el hidrógeno de las moléculas de agua, se formaron en las estrellas. Todo el oxígeno, todo el carbono, todo el nitrógeno, todo el hierro: todo eso se formó en las estrellas y luego se escupió a través de múltiples generaciones de explosiones estelares, supernovas y luego esos escombros se fusionaron en nuevas estrellas. Entonces somos parte de la historia, literalmente. Carl Sagan dijo, profundamente, que estamos hechos de materia estelar, y es realmente cierto, excepto por el hidrógeno que quedó del Big Bang. Incluso el hierro que transporta la energía alrededor del cuerpo se formó en una explosión estelar que involucró lo que creemos que es una supernova Tipo 1A: una estrella vieja. Los carbohidratos que comes, el oxígeno que respiras, todo eso se formó en estrellas masivas que explotaron muy rápido. Y así, literalmente, esta es nuestra historia de origen. ♦