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12 de Abril de 2021
Telescopios

¿Cómo será el primer año de observaciones del telescopio espacial James Webb?

El observatorio infrarrojo, cuyo lanzamiento está previsto para octubre, llevará a cabo cientos de estudios pioneros relacionados con exoplanetas, estrellas, galaxias o nuestro propio sistema solar.

Recreación de las capacidades científicas del telescopio espacial James Webb. El gran espejo de este observatorio infrarrojo permitirá buscar las primeras galaxias del universo, estudiar la formación estelar o explorar las atmósferas de exoplanetas cercanos. [NASA, ESA y A. Feild (STScI)]

Tras años de retraso y miles de millones de dólares de sobrecoste, el telescopio espacial James Webb (JWST) es constante objeto de bromas. El proyecto insignia de la NASA, la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Espacial Canadiense es un blanco fácil para los cómics en línea y otras críticas más mordaces. Sin embargo, muchos aducirían que los retrasos y problemas presupuestarios no hacen sino subrayar el alcance sin precedentes y las inmensas ambiciones del instrumento. Cuando se lance el 31 de octubre, será, con diferencia, el observatorio más grande y avanzado jamás enviado al espacio. El JWST estará preparado para revolucionar nuestra comprensión del universo desde su elevada atalaya a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra, más allá de la órbita de la Luna. Pero ¿cómo justificará las décadas de esfuerzo y gasto que ha costado ponerlo en marcha?

Hace poco lo descubrimos. El 30 de marzo, el Instituto Científico del Telescopio Espacial (STScI) dio a conocer las propuestas seleccionadas para los programas de Observación General que se desarrollarán a lo largo del primer año de funcionamiento del JWST, o «ciclo 1». Constituyen la mayor parte de las observaciones que realizará el telescopio durante el ciclo 1 y abarcan desde la búsqueda de atmósferas en exoplanetas rocosos cercanos hasta el estudio de las primeras galaxias del universo. Los proyectos podrían comenzar el año que viene por estas fechas, tras el despliegue del enorme espejo segmentado de 6,5 metros y del escudo solar multicapa del telescopio (una delicada operación que se llevará a cabo en el espacio), así como una fase posterior de 6 meses dedicada a la puesta en marcha de sus instrumentos.

Una vez concluidos estos preparativos, podrán comenzar las observaciones del ciclo 1. Una parte de los estudios iniciales del JWST (unas 460 horas) se dedicarán a programas de Ciencia de Divulgación Temprana, diseñados para poner a prueba los instrumentos del telescopio. Casi 4000 horas irán a parar a programas de Observaciones con Tiempo Garantizado, concedidos a científicos que ayudaron a construir los componentes y sistemas del JWST. Pero la mayor parte del tiempo de observación durante el primer año, unas 6000 horas, corresponderá a los programas de Observación General, propuestos por científicos de todo el mundo para aprovechar las capacidades únicas del telescopio.

«Es algo trascendental», afirma Kenneth Sembach, director del STScI, la institución que dirigirá y operará el JWST (igual que hizo con su predecesor, el telescopio espacial Hubble). «Estar entre las primeras propuestas aceptadas para usar un observatorio totalmente nuevo y con el potencial de revolucionar por completo la astronomía representa una oportunidad que la comunidad científica llevaba esperando mucho tiempo. Se trata de observaciones pioneras, el tipo de propuestas científicas que marcarán el futuro del observatorio.»

Un telescopio para todos

El tiempo total asignado suma más horas de las que hay en un año, algo que se ha hecho adrede para asegurar que el telescopio está «sobrerreservado» y nunca se queda sin nada que observar. Ese es un error que se cometió en la década de los 90, cuando la escasez de programas durante las primeras operaciones de Hubble condujo a la inactividad del observatorio, explica David Adler, director del Grupo de Planificación a Largo Plazo del STScI. El tiempo del JWST se coreografiará cuidadosamente para que pueda realizar las observaciones de diferentes proyectos mientras apunta a regiones concretas del cielo. Gracias a ello, el telescopio no tendrá que estar girando todo el tiempo de un lado a otro, lo que supondría un gasto de combustible y el riesgo de generar «fuerzas innecesarias sobre el telescopio», afirma Adler.

Recreación artística del telescopio espacial James Webb. [<a href="https://www.esa.int/Space_in_Member_States/Spain/Nueva_fecha_de_lanzamiento_para_el_telescopio_espacial_James_Webb"><span>ESA, NASA, S. Beckwith (STScI) y equipo del HUDF, Sistemas Aerospaciales Northrop Grumman/STScI/ATG medialab</span></a>]

Los programas comprenden desde proyectos científicos de gran repercusión hasta observaciones pioneras, y fueron elegidos por jurados científicos en un proceso con doble enmascaramiento, que impidió la divulgación de información que podría haber influido de forma inapropiada en la toma de decisiones (como, por ejemplo, el sexo de los aspirantes). Los jurados seleccionaron 286 propuestas (de entre unas 1200) de científicos de 41 países, un tercio de las cuales estarán dirigidas por mujeres. Alrededor de un tercio procedían de países miembros de la ESA —Europa, como socio principal del JWST, tenía garantizado al menos el 15 por ciento del tiempo de observación del telescopio, aunque acabó recibiendo el doble— y un 2 por ciento procedían de Canadá. Sin embargo, la mayoría de las propuestas corresponden a científicos estadounidenses.

Para maximizar el rendimiento científico, el tiempo total concedido a los programas de Observación General del ciclo 1 se reparte en diversas categorías: el 32 por ciento se dedicará a las galaxias, el 23 por ciento a los exoplanetas, el 12 por ciento a la física estelar, y así sucesivamente, hasta el 6 por ciento que recibirá nuestro propio sistema solar. Dentro de estas categorías, hay programas pequeños (25 horas o menos de tiempo de observación), medianos (entre 25 y 75 horas) y grandes (más de 75 horas). Algunos de estos últimos se consideran «programas tesoro», porque se espera que proporcionen amplios conjuntos de datos que sentarán las bases para los futuros estudios de varias generaciones de investigadores.

Una mirada al universo

Entre todos los programas de Observación General, el premio gordo se lo llevaron Jeyhan Kartaltepe, del Instituto de Tecnología de Rochester, y Caitlin Casey, de la Universidad de Texas en Austin, que recibieron 208,6 horas para su propuesta COSMOS-Webb. Kartaltepe, Casey y sus colaboradores pretenden estudiar millares de galaxias formadas en los primeros 1000 millones de años del universo. Estas galaxias son tan tenues que hasta ahora quedaban fuera del alcance de nuestros telescopios, a excepción de un puñado de observaciones del Hubble. «Es realmente incomparable», sostiene Kartaltepe. «El Hubble ha ido haciendo progresos, pero está limitado por su tamaño y sensibilidad. El JWST barrerá con todo y detectará objetos mucho más tenues.»

Eso podría ayudarnos a entender una etapa clave de la historia del universo: la llamada reionización, el período en el que surgieron las primeras estrellas y galaxias, entre 400.000 y 1000 millones de años después de la gran explosión. «Creemos que la reionización no se produjo al mismo tiempo en todas partes», afirma Kartaltepe. «Ocurrió en focos o burbujas. Dichas burbujas están relacionadas con la estructura a gran escala inicial del universo, y lo que esperamos es cartografiar esa estructura.»

Por otra parte, Natasha Batalha, del Centro de Investigación Ames de la NASA, y Johanna Teske, de la Institución Carnegie para la Ciencia, recibieron la tercera mayor asignación de tiempo (y la mayor entre los programas relacionados con exoplanetas) por su propuesta para llevar a cabo un estudio sin precedentes de las atmósferas de una docena de exoplanetas. A lo largo de 141,7 horas de observaciones, el proyecto empleará el espejo gigante del JWST para observar los tránsitos de esos mundos: las ocasiones en que pasan por delante de su estrella anfitriona y atenúan su brillo. Eso permitirá que los investigadores determinen la composición y estructura básica de cualquier atmósfera existente.

Los mundos que observarán Batalha, Teske y sus colaboradores tienen entre una y tres veces el tamaño de la Tierra. Pensamos que se trata de supertierras y minineptunos, intrigantes clases de planetas que el JWST nos podría permitir comprender mucho mejor. «Para llegar a buscar biomarcadores en planetas potencialmente habitables similares a la Tierra, primero necesitamos entender la gran diversidad de mundos que se han descubierto hasta la fecha», señala Batalha. «Y eso incluye estas extrañas supertierras y minineptunos, que han resultado ser uno de los tipos más comunes de planetas de la galaxia. Realmente no tenemos ni idea de lo que son, y es muy importante que el JWST los estudie.»

Otro objetivo popular es TRAPPIST-1, un sistema de planetas en tránsito situado a 40 años luz de la Tierra. Creemos que posee siete mundos de tamaño similar a la Tierra, los cuales orbitan alrededor de una estrella enana roja. Los investigadores consideran que algunos de esos planetas podrían ser habitables, de modo que dos de los programas de Observaciones con Tiempo Garantizado y tres de los de Observación General del telescopio se centrarán en ese sistema para tratar de entenderlo mejor. Laura Kreidberg, directora del Instituto Max Planck de Astronomía de Heidelberg dirige uno de esos programas. Su proyecto usará el JWST para evaluar la temperatura del segundo mundo más interior del sistema, TRAPPIST-1c, y para buscar una atmósfera en ese planeta durante casi 18 horas de observaciones.

Visión artística de los planetas del sistema TRAPPIST-1 en comparación con la Tierra. [<a href="https://www.eso.org/public/images/eso1805b/">ESO/M. Kornmesser</a>]

Aunque se cree que TRAPPIST-1c está demasiado caliente para albergar vida, la presencia de una atmósfera indicaría que otros mundos más fríos (y posiblemente más habitables) de ese sistema también podrían albergar atmósferas. Y, por ahora, el JWST es el único instrumento que puede ofrecer esos datos. «Tenemos que observar en el infrarrojo», explica Kreidberg. «La Tierra está demasiado caliente, así que necesitamos un telescopio espacial que cubra suficientes longitudes de onda, y el JWST es el único telescopio capaz de hacerlo de todos los que se han construido.»

Hogar, dulce hogar

Las capacidades del JWST también deberían transformar nuestra comprensión del sistema solar. Noemí Pinilla Alonso, de la Universidad de Florida Central, tiene previsto usar el telescopio para estudiar 59 objetos transneptunianos (cuerpos helados situados más allá de la órbita de Neptuno), en un programa de observaciones sin precedentes que durará casi 100 horas. El JWST será capaz de distinguir las sustancias presentes en esos cuerpos, como el agua o los compuestos orgánicos complejos, algo que hasta ahora solo era posible en 40 de los objetos transneptunianos más brillantes. «El JWST nos va a proporcionar un conocimiento del sistema solar sin parangón», asegura Pinilla.

También hay algunos programas de alto riesgo, que dependen de que se produzcan ciertos eventos y de que el JWST logre comenzar a estudiarlos enseguida. Martin Cordiner, del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA, dirige uno de estos programas, con el que espera observar el paso de un objeto interestelar a través de nuestro sistema solar, como los de 'Oumuamua en 2017 y el cometa Borisov en 2019. «Cruzamos los dedos para que llegue uno», comenta. Y si se acerca lo suficiente a nuestra estrella (a una distancia unas pocas veces superior a la que hay entre la Tierra y el Sol), el JWST debería ser capaz de estudiarlo, con Cordiner dirigiendo la ofensiva. «La meta», detalla, «es caracterizar su composición química», por ejemplo el contenido en agua y dióxido de carbono, lo que nos permitiría vislumbrar el material de otro sistema planetario.

Estos programas no son más que una pequeña muestra de la explosión de ciencia que desencadenará el JWST. Pero, sobre todo, nos dan una idea de los resultados transformadores que deberíamos esperar de este telescopio. Por ahora, sin embargo, no podemos sino aguardar ansiosamente a que se produzca el lanzamiento del JWST y confiar en que cada pieza del instrumento funcione según lo previsto, para que podamos abrir esa fantástica ventana al universo. «Habrá varios días angustiosos mientras se despliegan todos los mecanismos», vaticina Günther Hasinger, director científico de la ESA. Y aunque muchos están deseando que la pelota comience a rodar lo antes posible, no se apresurarán: al cuerno con las bromas a costa del JWST. «Tengamos paciencia», concluye Hasinger, «y crucemos los dedos para que podamos poner en órbita esta maravillosa máquina».

Jonathan O'Callaghan

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