JWST en las profundidades del espacio

JWST y la observación infrarroja

Actualización 07 de enero 2022

El Telescopio Espacial James Webb (JWST) es el sucesor del Telescopio Espacial Hubble (HST) y Spitzer o Instalación del Telescopio Infrarrojo Espacial (SIRTF). Fue lanzado el 25 de diciembre de 2021 y su puesta en servicio está prevista para junio de 2022 porque requiere que el conjunto óptico ubicado a la sombra del escudo térmico alcance una temperatura compatible (7 K) con las observaciones infrarrojas.
La radiación infrarroja transporta una gran cantidad de información, pero la atmósfera de la Tierra difunde o bloquea parte de la radiación térmica e impide la observación en la mayoría de las longitudes de onda del segmento infrarrojo.
En la observación infrarroja desde el espacio, es necesario que el entorno de los sensores esté a una temperatura inferior a la de la radiación que se va a captar.
JWST fue diseñado para explotar subsegmentos infrarrojos (PIR y MIR). Para ello está especialmente protegido porque orbita alrededor del punto de Lagrange L2 situado a 1,5 millones de kilómetros del Sol. Viaja por esta gran órbita en seis meses a una velocidad de aproximadamente 1 km/s. Su distancia desde el punto de Lagrange L2 varía entre 250 000 y 832 000 km. Su distancia a la Tierra oscila entre 1,5 y 1,8 millones de kilómetros. Su recorrido máximo por encima del plano de la eclíptica es de 520 000 km. Esta órbita se ha calculado con precisión para que el telescopio espacial nunca esté a la sombra de la Tierra porque su única fuente de energía proviene de sus paneles solares. Como la órbita alrededor de L2 es inestable, el telescopio espacial debe activar su propulsión cada 3 semanas.

Uno de los objetivos de este proyecto de $ 10 mil millones es capturar las primeras luces de nuestro universo profundo, con el fin de comprender cómo aparecieron las galaxias y las estrellas después del Big Bang.
Al observar las profundidades del espacio y el tiempo en el infrarrojo, los astrofísicos esperan sacar protogalaxias del profundo negro del espacio.
El primer activo del telescopio más poderoso del mundo en comparación con Spitzer y Hubble es su espejo. Su espejo hexagonal en berilio bañado en oro (el oro aumenta la reflectividad de la luz infrarroja) tiene 18 segmentos hexagonales de 1.315 m de lado (equivalente a un espejo primario de 6.5 metros). El espejo, protegido por una fina capa de vidrio amorfo transparente, pesa solo 705 kg gracias a su estructura en "panal" que reduce su peso sin afectar su resistencia a las dilataciones y contracciones provocadas por las variaciones de temperatura.
La otra ventaja del JWST es su ventana de observación que se extiende entre 600 nm y 28000 nm, es decir en el infrarrojo cercano y medio (PIR y MIR) incluyendo una parte del espectro ubicado en el visible. En comparación, el del HST oscila entre 10 nm y 2500 nm, es decir en el rango ultravioleta, visible e infrarrojo cercano (NIR). La ventana de observación del Spitzer se extiende entre 3600 y 160 000 nm en el infrarrojo medio y lejano (MIR y LIR).
Estos dos activos le permitirán buscar galaxias primitivas en el espacio profundo, pero también analizar las firmas biológicas de exoplanetas en el espacio cercano.

Imagen: La superficie de captación de luz de los 18 espejos segmentados de 1.315 m de lado del Telescopio Espacial James Webb permitirá capturar más fotones y, por lo tanto, ver más lejos. Obtenemos un factor de 100 entre el telescopio espacial Hubble y James Webb (100 horas de descanso del HST = 1 hora de descanso del JWST).
NASA / JWST SCIENCE TEAM

nota: La radiación infrarroja es el segmento del espectro electromagnético ubicado entre el dominio visible y el de las microondas. Sus longitudes de onda van desde 0,78 µm (lo más cercano al espectro visible) a 5 mm (lo más cercano a las microondas). El segmento de dominio infrarrojo se divide en infrarrojo cercano "PIR" (0,78 µm - 3 µm), infrarrojo medio “MIR” (3 µm - 50 µm) e infrarrojo lejano “LIR” (de 50 µm - 5 mm).

JWST en busca de protogalaxias

Con el telescopio espacial Hubble, los cosmólogos pudieron capturar fácilmente galaxias con un corrimiento al rojo de 1, correspondiente a galaxias de 6 mil millones de años. Con tiempos de exposición de 1 hora, el HST capturó galaxias con un corrimiento al rojo de 4, correspondiente a galaxias de 1.500 millones de años. Con tiempos de exposición de 15 días, el HST capturó galaxias del infrarrojo cercano con un corrimiento al rojo de 10, correspondiente a galaxias de 500 a 700 millones de años después del Big Bang.
Según las simulaciones, con JWST los cosmólogos esperan capturar galaxias primitivas con un corrimiento al rojo de 20, lo que podría revelar galaxias que tienen entre 200 y 400 millones de años. Es posible que en pequeñas regiones del cielo profundo acechen millones de protogalaxias brillantes muy jóvenes. Es precisamente este proceso de formación de protogalaxias lo que interesa a los cosmólogos.
¿Cómo se formaron las primeras galaxias después del Big Bang y cómo evolucionaron?
Debido a la expansión del universo, las galaxias se alejan unas de otras a una velocidad proporcional a su distancia (ley de Hubble v = H0d - constante de Hubble H0=73 km/s/Mpc).
De hecho, cuanto mayor es la velocidad de la recesión, más lejos está la galaxia en el espacio y el tiempo. Al observar en el infrarrojo medio, JWST nos proporcionará imágenes cercanas al momento en que el cosmos emerge de la edad oscura de su historia.
Para formar una galaxia tienes que recolectar mucha materia bariónica (materia ordinaria).

Ahora sabemos que esta acumulación no se puede realizar sin materia oscura porque sin materia oscura, el pozo gravitacional no es lo suficientemente profundo. También sabemos que todas las galaxias están conectadas por materia oscura.
Durante este período inicial de formación galáctica, los científicos esperan ver turbulencias, la presencia o ausencia de un agujero negro, la forma de una protogalaxia y la dinámica del gran gas Redshift. ¡Y por qué no comprender la naturaleza de la materia oscura!

nota: El redshift es un corrimiento al rojo positivo (z>0), es decir, un aumento en la longitud de onda y una disminución correspondiente en la frecuencia y la energía fotónica. Por el contrario, una disminución de la longitud de onda y un aumento simultáneo de la frecuencia y la energía se conoce como desplazamiento al rojo negativo o desplazamiento al azul (z<0) (el rojo y el azul son los extremos del espectro de luz visible).
Las causas del corrimiento al rojo:
- La radiación se mueve entre objetos que se alejan (corrimiento al rojo "relativista").
- La radiación se mueve hacia un objeto con un potencial gravitacional menor (corrimiento al rojo "gravitacional").
- La radiación se mueve en un espacio en expansión (corrimiento al rojo "cosmológico").

Galaxias de campo ultraprofundo con Hubble

Imagen: Una gran diversidad de galaxias, algunas de las cuales tienen 11 mil millones de años, salpican el campo ultraprofundo del tapiz cósmico. Esta imagen compuesta fue creada a partir de fotografías tomadas por el telescopio Hubble entre 2003 y 2012. En este pequeño agujero en la bóveda celeste sur, podemos contar alrededor de 10,000 galaxias.
Con JWST, al observar en el infrarrojo medio con el mismo tiempo de exposición, pudimos ver 100 veces más galaxias que en la imagen HST.
Credit Nasa, ESA

JWST en busca de vida

En enero de 2022, sabemos de 4884 exoplanetas confirmados y 8288 candidatos (ref. catálogo de la NASA). Entre los exoplanetas confirmados, algunos tienen propiedades que podrían ser favorables para la vida.
Desde el descubrimiento del primer exoplaneta (51 Pegasi b en octubre de 1995), el último sueño de la humanidad ha sido encontrar mundos raros como el nuestro. vida de vivienda.
Si podemos conocer la masa, el radio y los parámetros orbitales de un exoplaneta, ningún telescopio espacial tiene la capacidad de "ver" directamente la superficie de un exoplaneta. Sin embargo, JWST podría analizar la composición de la envoltura gaseosa de un exoplaneta.
Durante un tránsito de exoplanetas con su estrella, parte de la luz atraviesa las diferentes alturas de la atmósfera del exoplaneta. Esta luz absorbida (líneas de absorción negras) corresponde al código de barras químico de la composición de la atmósfera (agua H2O, metano NH4, dióxido de carbono CO2, etano C2H6, etc.).

A pesar de la muy pequeña cantidad de luz analizada por el espectrógrafo JWST, es posible caracterizar la composición química de las atmósferas exoplanetarias. Es gracias al gran espejo de JWST que los científicos creen que pueden observar los espectros de absorción de las envolturas de gas.
Dependiendo de las longitudes de onda del espectro de observación JWST, podremos obtener una especie de cédula de identidad química de los exoplanetas y podrían aparecer muchas firmas.
En resumen, con el JWST, la observación en el campo de las ondas infrarrojas podría revolucionar la cosmología y la exobiología. JWST ahora se ha adentrado en las profundidades del espacio y el tiempo en busca de galaxias, pero también en los suburbios internos de nuestro sistema solar en busca de vida.