Megaproyectos
JWST – El Telescopio Espacial James Webb
Mirando Más Profundo En El Universo
Algunos megaproyectos involucran infraestructuras gigantescas, como, por ejemplo, el círculo de 27 kilómetros de diámetro del acelerador de partículas CERN o el experimento de neutrinos de 800 millas de largo de DUNE.
Otros pueden calificarse como megaproyectos no porque de su tamaño, sino porque de su complejidad, costos y cómo son transformadores para nuestra comprensión del Universo.
Un buen ejemplo de esto es el Telescopio Espacial James Webb (JWST). Este telescopio espacial de luz infrarroja es el más poderoso y grande jamás creado. El telescopio lleva el nombre de James E. Webb, el legendario administrador de la NASA desde 1961 hasta 1968 durante los programas Mercury, Gemini y Apollo.
Fuente: NASA
JWST es tan poderoso que podría igualmente ayudarnos a observar las primeras estrellas que se encendieron en el Universo y encontrar posibles planetas habitables. Y para obtener estos resultados, los científicos e ingenieros han trabajado maravillas para empujar el límite de lo que los telescopios podían lograr.
¿Por Qué Poner Un Telescopio En El Espacio?
La primera cosa que entender sobre el Telescopio Espacial James Webb es por qué necesita estar en el espacio en primer lugar. Después de todo, levantar maquinaria compleja al espacio es mucho más difícil que construir lo mismo en la Tierra.
Al salir de la atmósfera, los telescopios pueden obtener una visión del Universo sin disturbios de la contaminación lumínica, la turbulencia atmosférica y, por supuesto, las nubes y los patrones climáticos.
Esta es la razón por la que el telescopio Hubble relativamente pequeño funcionó tan bien en comparación con los telescopios basados en tierra. Pero esto fue extra importante para JWST, ya que este telescopio mide no la luz visible, sino la luz infrarroja.
El vapor de agua en la atmósfera de la Tierra absorbe la radiación infrarroja. Los telescopios infrarrojos basados en tierra tienden a colocarse en montañas altas y en climas muy secos para mejorar la visibilidad, pero esto todavía no es ideal y crea un límite inherente a lo que pueden observar.
JWST es el más reciente y con mucho el más poderoso en una línea de telescopios espaciales infrarrojos, siguiendo al Satélite Astronómico Infrarrojo (IRAS), el Telescopio Espacial Spitzer y el Explorador de Encuesta Infrarroja de Campo Amplio (WISE).
JWST se lanzó en 2021 en un lanzador Ariane 5 francés, desde la Guayana Francesa. Un mes más tarde, llegó a su destino, el punto de Lagrange Sol-Tierra L2, a unos 1,5 millones de kilómetros (930,000 millas) de la Tierra.
Los puntos de Lagrange son posiciones en el espacio que permanecen constantes en comparación con la Tierra, a pesar de no estar en órbita de la Tierra. Actualmente, otro punto de Lagrange (L1) es utilizado por el Observatorio Climático Espacial Profundo DSCOVR.
Fuente: NOAA
La posición de JWST significa que puede observar casi cualquier punto en el cielo durante todo el año, siempre que no esté en la dirección de la Tierra y el Sol; el 39% del cielo es potencialmente visible para Webb en cualquier momento.
¿Por Qué Utilizar Observación Infrarroja?
Objetos Distantes
Para objetos muy distantes en el Universo, ocurre un fenómeno llamado “desplazamiento al rojo”, que mueve su luz hacia el infrarrojo. Entonces, cualquier observación del parte muy profunda (y por lo tanto muy antigua) del Universo tiende a hacerse en el parte infrarrojo del espectro de luz.
Fuente: SciTech Daily
Debido a este fenómeno, Hubble solo podía ver tan lejos en distancia y hacia atrás en el tiempo como la formación de las primeras galaxias. Al mirar en infrarrojo, JWST puede ver tan lejos en la historia del Universo como la formación de las primeras estrellas.
Exoplanetas
Las observaciones infrarrojas tienen otra ventaja, esta vez con respecto al análisis de exoplanetas. JWST llevará un sistema llamado coronógrafo: esto bloqueará la luz que proviene de una estrella, permitiéndonos ver mejor los objetos menos brillantes que orbitan como pequeños exoplanetas.
La imagen de un exoplaneta sería solo un punto, no un gran panorama.
Fuente: NASA
Sin embargo, la luz de ese punto puede analizarse a través de un método llamado espectroscopía, que puede decirnos la composición de la atmósfera de estos exoplanetas. En longitudes de onda infrarrojas, las moléculas en las atmósferas de los exoplanetas tienen la mayor cantidad de características espectrales, así que obtendremos mucha más información que cuando se utiliza la luz visible.
A través de este método, podríamos no solo determinar si los planetas en otros sistemas solares tienen agua y CO2, sino también metano, amoníaco o moléculas complejas que potencialmente indiquen vida alienígena.
JWST En Comparación Con Hubble
En cuanto a su capacidad de observación, JWST se centra principalmente en la luz infrarroja cercana, pero también puede ver la luz visible naranja y roja, y el rango de infrarrojo medio, dependiendo del instrumento que se utilice.
Puede detectar objetos 100 veces menos brillantes que Hubble podía. Y en muchos casos, se utiliza para mirar de nuevo objetos que Hubble reveló en primer lugar para obtener nuevas ideas sobre ellos.
Sin embargo, la nitidez de la imagen será comparable a la de Hubble debido a que las imágenes infrarrojas son inherentemente menos nítidas que la luz visible debido a las longitudes de onda más largas.
Otra diferencia entre los dos telescopios icónicos es que JWST puede ver a través de nubes de gas, que bloquean la luz visible, pero no la infrarroja. Así que la versión de JWST de la famosa imagen de las Pilas de la Creación, en la Nebulosa del Águila, revela muchas estrellas dentro y alrededor de las pilas.
Fuente: Webb Telescope
Especificaciones De JWST
JWST lleva un espejo primario de 6,5 metros (21 pies) con revestimiento de oro de berilio, compuesto por 18 espejos hexagonales separados, lo que le da su apariencia icónica.
Cada uno de estos espejos pesa 20 kg (44 libras). El revestimiento de oro de 100 nanómetros proporciona reflexión de luz infrarroja y está cubierto con vidrio para hacerlo lo suficientemente resistente. Esto le da un área de recolección de luz 6 veces mayor que la de Hubble. En total, se utilizaron solo 48,25 gramos de oro (1,7 onzas).
Fuente: NASA
Webb, a diferencia de Hubble, no está diseñado para ser servicio por astronautas, debido a su gran distancia de la Tierra. Como resultado, todos los componentes subcríticos son duales, por ejemplo, dos cámaras de infrarrojo cercano, o están diseñados para durar muchos años como los espejos.
JWST se espera que dure al menos 5 años, con un objetivo de 10 años de operaciones. Sin embargo, tiene suficiente propelente (para permanecer en el punto de Lagrange) para un total de 20 años, así que podría durar más si no falla ninguna parte crítica.
Presupuesto De JWST
En total, el Telescopio Espacial James Webb terminó costando más de $11 mil millones, más de 10 veces la estimación inicial de la NASA para este proyecto. Este aumento de precio amenazó la viabilidad del proyecto en la década de 2010, debido a que el presupuesto (en ese momento) explotó a “solo” $6.5 mil millones.
Un lanzamiento planeado inicialmente para 2014, finalmente 7 años tarde, se sumó a las críticas.
“La causa fundamental del problema es que en el momento de la aprobación formal del programa, que se remonta a julio de 2008, el presupuesto que la NASA presentó al equipo del proyecto era básicamente defectuoso”, dijo a los reporteros en una teleconferencia de la tarde.
El presupuesto simplemente no contenía el contenido que el proyecto incluso sabía en ese momento. Y así, desde el punto de vista del dinero, era simplemente insuficiente para llevar a cabo el trabajo.”
John Casani, un gerente de proyecto ampliamente respetado en el Laboratorio de Propulsión de la NASA
Como el proyecto tardó casi 2 décadas en ser diseñado y construido, sin embargo, nunca superó el 3% del presupuesto anual de la NASA. Sin embargo, consumió 1/3 del presupuesto de la División de Astrofísica de la NASA entre 2003-2021.
Y ahora que JWST es uno de los programas más impresionantes y exitosos de la historia de la astronomía, la mayoría de estos debates están siendo olvidados.
La Ingeniería Asombrosa De JWST
Perdiendo Algunos Kilos
El primer problema que resolver para los diseñadores de JWST fue que un espejo tan grande iba a ser demasiado pesado. Si hubieran reutilizado el diseño de Hubble, habría sido demasiado pesado para ser lanzado al espacio.
Es por eso que se eligió utilizar berilio, que es a la vez fuerte y lo suficientemente ligero. Otro factor fue la temperatura extrema del espacio profundo, que podría doblar la curvatura precisa requerida de los espejos.
El berilio fue una buena opción aquí, también, porque deja de cambiar de forma cuando está realmente frío. Así que los espejos se fabricaron con un “ángulo incorrecto” que se doblaría exactamente hacia la forma final pretendida cuando se expusiera al frío del espacio (-233°C/-388°F).
Fuente: JWST
Cada espejo se alinearía finalmente con una precisión igual a 1/10,000 de la grosura de un cabello humano.
Materiales ultraligeros como los compuestos también se eligieron para la columna vertebral del telescopio, lo que ahorró algo de peso adicional.
Fuente: NASA
Plegando
Otro problema importante fue que el tamaño extremo del espejo del telescopio requerido por este diseño no cabría en ningún cohete disponible.
Así que se decidió plegar la estructura componente por componente, incluyendo el escudo solar y los espejos. Cómo plegar todo de manera eficiente y cómo hacer que se despliegue de manera confiable era aún una preocupación.
Los científicos de la NASA tomaron inspiración del origami, el arte japonés de plegar papel, con la elección final que fue un patrón de origami hexagonal.
Esta fue una decisión de alto riesgo para el equipo de diseño de James Webb, ya que un despliegue tan complejo nunca se había hecho antes. Y cualquier fallo habría condenado todo el proyecto.
Puedes ver cómo funcionó el despliegue paso a paso en este breve video de JWST:
Escudo Solar
Como el telescopio está observando sus objetivos en infrarrojo, protegerlo del calor del Sol era tan esencial como tener los espejos lo suficientemente ligeros y desplegados correctamente.
El escudo solar de JWST mantiene la diferencia entre el lado caliente y el lado frío del telescopio en casi 315°C/600°F, gracias a un aislamiento de 5 capas.
El escudo solar es tan grande como una cancha de tenis y está hecho de capas de Kapton E (película de poliamida) con recubrimientos de aluminio y silicio dopado para reflejar el calor del Sol de regreso al espacio.
Telecomunicaciones
JWST transmite sus datos de regreso y recibe instrucciones de la Tierra a través de la Red de Espacio Profundo de la NASA. Esto pasa por estaciones de tierra ubicadas en Canberra, Madrid y Goldstone.
Webb puede descargar al menos 57,2 gigabytes de datos científicos grabados cada día, con una tasa de datos máxima de 28 megabits por segundo.
Fuente: Webb Telescope
Otros Componentes
El resto del telescopio no fue menos de alta tecnología y de alto rendimiento. Menciones honorables pueden hacerse a algunos equipos:
- Criocooler: los sensores (MIRI) de JWST necesitan operar a -266,15°C/-447°F, más frío que incluso las profundidades del espacio. Así que se agregó un sistema de enfriamiento adicional para enfriar el instrumento.
- Parte Trasera: la columna vertebral del telescopio pesa 2,4 toneladas (5,300 libras) y proporciona la posición absolutamente inmóvil necesaria para que el telescopio tome imágenes nítidas. Se diseñó para ser estable hasta 32 nanómetros, que es 1/10,000 del diámetro de un cabello humano.
- Cerraduras Micro: esta cuadrícula de 248,000 pequeñas puertas se pueden abrir y cerrar individualmente para transmitir o bloquear la luz. Esto permite que JWST observe simultáneamente cientos de objetos individuales en un campo de estrellas o galaxias simultáneamente. Como resultado, JWST puede realizar muchas más observaciones en un período de tiempo determinado.
Logros De JWST
En operación solo por unos pocos años, JWST ya ha cambiado completamente nuestra comprensión del Universo. Así que, aunque es casi imposible enumerar todo lo que ya ha hecho, algunas historias merecen ser destacadas.
Dispersión De Carbono Recién Formado
JWST ha identificado dos estrellas responsables de generar polvo rico en carbono a solo 5,000 años luz de distancia en nuestra propia galaxia de la Vía Láctea. Detectó capas concéntricas esféricas “formadas por los vientos solares en colisión de las dos estrellas que dispersan el carbono recién formado en la galaxia.
Fuente: Webb Telescope
Cada capa está corriendo lejos de las estrellas a más de 1,600 millas por segundo (2,600 kilómetros por segundo), casi el 1% de la velocidad de la luz. En este sistema, el observatorio está mostrando que las capas de polvo se expanden de un año a otro.
El telescopio detectó capas que han persistido durante más de 130 años. Las capas más antiguas se han disipado tanto que ahora son demasiado débiles para detectarlas.”
Jennifer Hoffman, coautora y profesora de la Universidad de Denver
Objetos Activos En El Borde De Nuestro Sistema Solar
JWST detecta eyección de gas de “Centaur 29P/Schwassmann-Wachmann”, un objeto similar a un cometa en la vecindad de Neptuno.
Descubrieron un nuevo chorro de monóxido de carbono (CO) y chorros nunca vistos de dióxido de carbono (CO2) que dan nuevas pistas sobre la naturaleza del núcleo del objeto estelar.
Fuente: Webb Telescope
Imagen De Exoplanetas Cercanos
JWST capturó una imagen directa de un exoplaneta a solo 12 años luz de distancia de nosotros, Epsilon Indi Ab. El planeta es varias veces la masa de Júpiter, orbitando alrededor de una estrella ligeramente similar al Sol.
Es uno de los exoplanetas más fríos que se han detectado directamente, con una temperatura promedio estimada de 2°C/35°F (para referencia, la temperatura promedio de la Tierra es 15°C/59°F).
“Los planetas fríos son muy débiles, y la mayoría de su emisión está en el infrarrojo medio.
Es un poco más cálido y es más masivo, pero es más similar a Júpiter que cualquier otro planeta que se ha imaginado hasta ahora.”
Elisabeth Matthews del Instituto Max Planck de Astronomía en Alemania.
Moléculas Complejas En Planetas En Formación
Mientras que el exoplaneta K2-18 b podría ser un exoplaneta Hycean, uno que tiene el potencial de poseer una atmósfera rica en hidrógeno y una superficie cubierta de océanos de agua.
Los exoplanetas como K2-18 b, que tienen tamaños entre los de la Tierra y Neptuno, no tienen nada similar en nuestro sistema solar. Nuestros hallazgos subrayan la importancia de considerar entornos habitables diversos en la búsqueda de vida en otros lugares.”
JWST también encontró varios compuestos de carbono, e incluso dimetil-sulfuro en la atmósfera del planeta.
Fuente: NASA
JWST encontró por primera vez fuera de nuestro sistema solar etano (C2H6), así como etileno (C2H4), propino (C3H4) y el radical metilo CH3 alrededor de una estrella joven.
También hizo la primera detección de elementos pesados de una fusión estelar, que resultó en la segunda explosión de rayos gamma más brillante jamás detectada, o una kilonova. Los científicos de JWST detectaron telurio en la explosión.
Agujero Negro Más Distante (Antiguo) Jamás Detectado
En combinación con el Observatorio de Rayos X de la NASA Chandra, JWST detectó un agujero negro en crecimiento solo 470 millones de años después del Big Bang. JWST encontró la galaxia, y Chandra el agujero negro en sí.
NASA
Pensamos que esta es la primera detección de un ‘Agujero Negro Desproporcionado’ que se formó directamente por el colapso de una gran nube de gas.
Por primera vez, estamos viendo una etapa breve en la que un agujero negro supermasivo pesa tanto como las estrellas en su galaxia antes de que se quede atrás.”
Priyamvada Natarajan de la Universidad de Yale
Futuro De JWST
Después de encontrar y analizar exoplanetas, JWST está en la caza de exolunas. Sabemos que estos cuerpos planetarios, potencialmente más grandes que la Tierra en algunos casos, deben existir, pero nunca tuvimos un instrumento lo suficientemente sensible para detectarlos. Los planetas gigantes gaseosos como Júpiter son candidatos principales.
JWST también investigará agujeros negros supermasivos y cuásares, agujeros negros que expulsan de sus polos a la velocidad de la luz cantidades de materia equivalentes a una estrella. El telescopio se centrará en especímenes muy antiguos de estos fenómenos estelares.
Finalmente, estudiar galaxias y estructuras a gran escala del Universo muy temprano podría crear nuevas ideas sobre la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura que parece eludir a los científicos durante décadas.
Contractor Privado Principal De JWST
Sistemas Aeroespaciales Northrop Grumman
(NOC )
Un proyecto como JWST es casi siempre el resultado de una colaboración internacional, con, en este caso, la participación de la NASA, la ESA y la Agencia Espacial Canadiense.
También involucró a muchos contratistas del sector privado, con el más prominente siendo la empresa aeroespacial y de defensa Northrop Grumman.
Northrop Grumman es más famoso por la creación del bombardeador estratégico stealth B-2, cada uno cuesta casi mil millones de dólares. Este diseño de más de 20 años será reemplazado por el B-21, que todavía está en desarrollo.
La empresa está en la vanguardia de la tecnología espacial, como se ilustra en su trabajo en el estado de la técnica Telescopio Espacial James Webb. La empresa deriva la mayor parte de sus ingresos por sistemas espaciales y aeronáuticos.
Fuente: Northrop
Otra gran sección es la división de sistemas de misión, que cubre una amplia gama de sensores, software de ciberdefensa, comunicaciones seguras y C4ISR (Comando, Control, Comunicaciones, Computadoras, Inteligencia, Vigilancia y Reconocimiento).
También es un productor líder de municiones, desde pequeño calibre hasta proyectiles guiados y calibres grandes.
Northrop Grumman está mirando hacia su posición como proveedor de armas avanzadas, con el desarrollo y despliegue de sistemas de armas autónomos:
- X-47B, un avión no tripulado de tamaño de combate.
- El helicóptero drone Fire Scout.
- Drones de vigilancia Global Hawk y MQ-4C Triton.
- Drones marítimos Manta Ray y Sistema de caza de minas AQS-24B/C.
- Sistema de aeronave no tripulada Bat, sistemas de aeronaves no tripuladas tácticas multi-misión, persistentes y asequibles.
Fuente: Northrop
La empresa está en la vanguardia del desarrollo de armas de energía directa (láseres), guerra electrónica, sistemas anti-drones y mísiles balísticos intercontinentales.
Desde una perspectiva de inversión y financiera, Northrop Grumman ha aumentado su dividendo en un 12% de CAGR desde 2014, mientras también reducía la cantidad de acciones en un 31%. Esto resultó en $2,6 mil millones en dividendos y recompras de acciones en 2023, mientras que la empresa generaba $2,1 mil millones en flujo de caja libre.
Northrop Grumman deriva casi exclusivamente sus ingresos del presupuesto de defensa de EE. UU., con la NASA que hace el 3% de los ingresos y las ventas internacionales el 12%.
Fuente: Northrop
Donde las empresas como RTX y Lockheed proporcionan la mayor parte del poder de la Fuerza Aérea de EE. UU. (aviones de combate, misiles, defensa aérea), Northrop Grumman proporciona la capacidad más avanzada, desde el espacio hasta los sistemas de mando integrados y bombarderos stealth pesados.
Y quizás pronto una parte significativa de los drones avanzados, la guerra electrónica y las armas de energía también.
Con la creciente importancia de los drones y la guerra electrónica, Northrop probablemente será cada vez más central para las capacidades ofensivas y defensivas de EE. UU. Y sus nuevos bombarderos stealth serán un factor clave para mantener el ritmo de los adversarios peer como Rusia y China, con quienes las tensiones siguen siendo muy altas.
