Megaproyectos
JWST – El Telescopio Espacial James Webb
Mirando más profundo en el Universo
Algunos megaprojectos involucran infraestructuras gigantescas, como, por ejemplo, el círculo de 27 kilómetros de diámetro del acelerador de partículas del CERN o el experimento de neutrinos de 800 millas de longitud de DUNE.
Otros pueden calificarse como megaprojectos no por su tamaño sino por su complejidad, costos y cuán transformadores son para nuestra comprensión del Universo.
Un buen ejemplo de esto es el Telescopio Espacial James Webb (JWST). Este telescopio espacial que observa en luz infrarroja es el más potente y grande jamás creado. El telescopio lleva el nombre de James E. Webb, el legendario administrador de la NASA de 1961 a 1968 durante los programas Mercury, Gemini y Apollo.
Fuente: NASA
JWST es tan potente que podría ayudarnos a observar las primeras estrellas que se encendieron en el Universo y a encontrar exoplanetas potencialmente habitables. Y para obtener estos resultados, científicos e ingenieros han hecho maravillas para empujar los límites de lo que los telescopios pueden lograr.
¿Por qué colocar un telescopio en el espacio?
Lo primero que hay que entender sobre el Telescopio Espacial James Webb es por qué necesita estar en el espacio en primer lugar. Después de todo, lanzar 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 la interferencia de la contaminación lumínica, la turbulencia atmosférica y, por supuesto, las nubes y los patrones climáticos.
Esta es la razón por la que el relativamente pequeño telescopio Hubble funcionó tan bien comparado con los telescopios basados en tierra. Pero esto era aún más importante para JWST, ya que este telescopio mide no luz visible, sino luz infrarroja.
El vapor de agua en la atmósfera terrestre absorbe la radiación infrarroja. Los telescopios infrarrojos basados en tierra tienden a ubicarse en altas montañas y en climas muy secos para mejorar la visibilidad, pero esto sigue sin ser ideal y crea un límite inherente a lo que pueden observar.
JWST es el más reciente y, de lejos, el más potente de una línea de telescopios espaciales infrarrojos, siguiendo al Satélite Astronómico Infrarrojo (IRAS), el Telescopio Espacial Spitzer, y el Explorador de Sondeo Infrarrojo de Campo Amplio (WISE).
JWST fue lanzado en 2021 en un lanzador francés Ariane 5, desde la Guayana Francesa. Un mes después, 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 alrededor de la Tierra. Actualmente, otro punto de Lagrange (L1) es usado por DSCOVR: Deep Space Climate Observatory.
Fuente: NOAA
La posición de JWST significa que puede observar casi cualquier punto del cielo a lo largo del 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 usar observación infrarroja?
Objetos distantes
Para objetos muy distantes en el Universo, ocurre un fenómeno llamado “corrimiento al rojo”, que desplaza su luz hacia el infrarrojo. Por lo tanto, cualquier observación de la parte muy profunda (y por ende muy antigua) del Universo tiende a tener que hacerse en la parte infrarroja del espectro luminoso.
Fuente: SciTech Daily
Debido a este fenómeno, Hubble solo podía ver hasta cierta distancia y tiempo atrás, cuando se formaron las primeras galaxias. Al observar 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, respecto al análisis de exoplanetas esta vez. JWST llevará un sistema llamado coronógrafo: este 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
Aún así, la luz de ese punto puede analizarse mediante un método llamado espectroscopía, que puede decirnos la composición de la atmósfera de esos exoplanetas. En longitudes de onda infrarrojas, las moléculas en las atmósferas de los exoplanetas presentan el mayor número de rasgos espectrales, por lo que obtendremos mucha más información que al usar 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 potencialmente indicativas de vida extraterrestre.
JWST comparado con Hubble
En cuanto a su capacidad de observación, JWST se centra mayormente en luz infrarroja cercana, pero también puede ver luz visible naranja y roja, y el rango de infrarrojo medio, dependiendo del instrumento que se use.
Puede detectar objetos 100 × menos brillantes que Hubble podía. Y en muchos casos, se usa para mirar atrás a 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 por sus 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, la versión de JWST de la famosa imagen de los Pilares de la Creación, en la Nebulosa del Águila, revela muchas estrellas dentro y alrededor de los pilares.
Fuente: Webb Telescope
Especificaciones de JWST
JWST lleva un espejo primario de 6,5 metros (21 pies) recubierto de oro y hecho de berilio, compuesto por 18 espejos hexagonales separados, lo que le da su aspecto icónico.
Cada uno de estos espejos pesa 20 kg (44 libras). El recubrimiento de oro de 100 nanómetros proporciona reflexión de luz infrarroja y está cubierto por vidrio para hacerlo lo suficientemente resistente. Esto le brinda un área de captación de luz 6 × mayor que la de Hubble. En total, solo se usaron 48,25 g de oro (1,7 onzas).
Fuente: NASA
Webb, a diferencia de Hubble, no está diseñado para ser reparado por astronautas, debido a su gran distancia de la Tierra. Como resultado, todos los componentes críticos son redundantes, 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 una meta de 10 años de operaciones. Sin embargo, tiene suficiente combustible (para permanecer en el punto de Lagrange) para un total de 20 años, por lo que podría durar más si no falla ninguna pieza clave.
Presupuesto de JWST
En total, el Telescopio Espacial James Webb terminó costando más de 11 mil millones de dólares, más de 10 × la estimación inicial de la NASA para este proyecto. Esta explosión de precio amenazó la viabilidad del proyecto en la década de 2010, debido a que (en ese momento) el presupuesto se disparó a “solo” 6,5 mil millones de dólares.
Un lanzamiento planeado inicialmente para 2014, finalmente 7 años retrasado, añadió críticas.
“La causa raíz 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 recibió de la oficina del proyecto estaba básicamente defectuoso,” dijo a los periodistas en una teleconferencia vespertina.
El presupuesto simplemente no contenía el contenido que el proyecto siquiera conocía en ese momento. Y así, desde el punto de vista financiero, era insuficiente para llevar a cabo el trabajo.”
Como el proyecto tomó casi 2 décadas para diseñarse y construirse, sin embargo nunca superó el 3 % del presupuesto anual de la NASA. Consumió, sin embargo, 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 esos debates están siendo olvidados.
La asombrosa ingeniería de JWST
Perdiendo algo de peso
El primer problema que los diseñadores de JWST tuvieron que resolver fue que un espejo tan grande sería demasiado pesado. Si hubieran reutilizado el diseño de Hubble, habría sido demasiado pesado para ser lanzado al espacio.
Por eso se decidió usar berilio, que es a la vez fuerte y ligero. Otro factor fue la temperatura extrema del espacio profundo, que podría deformar la curvatura extremadamente precisa requerida de los espejos.
El berilio también era una buena opción porque deja de cambiar de forma cuando está muy frío. Así, los espejos fueron fabricados con un ángulo “incorrecto”, que se doblaría exactamente a la forma final deseada cuando se expusieran 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 espesor de un cabello humano.
Materiales ultraligeros como los compuestos también fueron elegidos para la estructura del telescopio, ahorrando más peso.
Fuente: NASA
Pliegue
Otro gran problema era que el tamaño extremo del espejo del telescopio requerido por este diseño no cabía en ningún cohete disponible.
Así que se decidió desde el principio desplegar la estructura componente por componente, incluyendo el escudo solar y los espejos. Cómo plegar todo de manera eficiente y que se desplegara de forma fiable seguía siendo una preocupación.
Los científicos de la NASA se inspiraron en el origami, el arte japonés de plegar papel, y la elección final 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 falla 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 observa sus objetivos en infrarrojo, protegerlo del calor del Sol era tan esencial como tener los espejos lo suficientemente ligeros y correctamente desplegados.
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 pista de tenis y está hecho de capas de Kapton E (película de poliimida) con recubrimientos de aluminio y silicio dopado para reflejar el calor del Sol de vuelta al espacio.
Telecomunicaciones
JWST transmite sus datos de vuelta y recibe instrucciones de la Tierra a través de la Red de Espacio Profundo de la NASA. Esto pasa por estaciones terrestres ubicadas en Canberra, Madrid y Goldstone.
Webb puede descargar al menos 57,2 gigabytes de datos científicos registrados cada día, con una tasa máxima de datos de 28 megabits por segundo.
Fuente: Webb Telescope
Otros componentes
El resto del telescopio no era menos de alta tecnología y alto rendimiento. Se pueden mencionar honorablemente algunos equipos:
- Criocooler: los sensores de infrarrojo medio de JWST (MIRI) (MIRI) necesitan operar a -266,15 °C/-447 °F, más frío que incluso las profundidades del espacio. Por eso se añadió un sistema de refrigeración extra para enfriar el instrumento.
- Backplane: 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. Fue diseñada para ser estable hasta 32 nanómetros, que es 1/10 000 del diámetro de un cabello humano.
- Micro‑shutters: esta cuadrícula de 248 000 pequeñas puertas puede abrirse y cerrarse individualmente para transmitir o bloquear luz. Esto permite a JWST observar simultáneamente cientos de objetos individuales en un campo de estrellas o galaxias. Como resultado, JWST puede realizar muchas más observaciones en un mismo lapso de tiempo.
Logros de JWST
En operación durante apenas unos años, JWST ya ha cambiado por completo cómo los astrónomos entienden el Universo. Así que, aunque es casi imposible enumerar todo lo que ya ha hecho, algunas historias merecen resaltarse.
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, la Vía Láctea. Detectó “cáscaras” esféricas concéntricas formadas por los vientos solares en colisión de las dos estrellas, dispersando carbono recién formado por la galaxia.
Fuente: Webb Telescope
Cada cáscara se aleja 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 muestra que las cáscaras de polvo se están expandiendo de un año a otro.
Las imágenes de infrarrojo medio del telescopio detectaron cáscaras que han persistido por más de 130 años. Las cáscaras más antiguas se han disipado lo suficiente como para que ahora sean demasiado tenues para detectarse.”
Jennifer Hoffman, co‑autora y profesora de la Universidad de Denver
Objetos activos en el borde de nuestro Sistema Solar
JWST detecta la eyección de gas de “Centauro 29P/Schwassmann‑Wachmann“, un objeto tipo cometa en la vecindad de Neptuno.
Descubrieron un nuevo chorro de monóxido de carbono (CO) y chorros previamente no vistos de dióxido de carbono (CO2), lo que brinda 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, Epsilon Indi Ab. El planeta tiene varias veces la masa de Júpiter y orbita una estrella algo similar a nuestro Sol.
Es uno de los exoplanetas más fríos detectados directamente, con una temperatura media estimada de 2 °C/35 °F (para referencia, la temperatura media de la Tierra es 15 °C (59 °F)).
“Los planetas fríos son muy tenues, y la mayor parte de su emisión está en el infrarrojo medio.
Es un poco más cálido y más masivo, pero se parece más a Júpiter que a cualquier otro planeta que se haya fotografiado hasta ahora.”
Elisabeth Matthews del Instituto Max Planck de Astronomía en Alemania.
Moléculas complejas en planetas en formación
Mientras tanto, 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 por un océano de agua.
Exoplanetas como K2‑18 b, que tienen tamaños entre los de la Tierra y Neptuno, no se parecen a nada 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 dimetilsulfuro en la atmósfera del planeta.
Fuente: NASA
JWST encontró por primera vez fuera de nuestro Sistema Solar etano (C2H6), así como eteno (C2H4), propino (C3H4) y el radical metilo CH3 alrededor de una estrella joven.
También realizó la primera detección de elementos pesados de una fusión estelar, resultando en la segunda explosión de rayos gamma más brillante jamás detectada, o una kilonova. Los científicos de JWST detectaron telurio en los restos de la explosión.
El agujero negro más distante (antiguo) jamás detectado
En combinación con el Observatorio de Rayos X Chandra de la NASA, JWST detectó un agujero negro en crecimiento solo 470 millones de años después del Big Bang. JWST encontró la galaxia, y Chandra el propio agujero negro.
Fuente: NASA
Creemos que esta es la primera detección de un ‘Agujero Negro Sobredimensionado’ que se formó directamente a partir del colapso de una enorme nube de gas.
Por primera vez, estamos viendo una breve etapa donde un agujero negro supermasivo pesa aproximadamente tanto como las estrellas de su galaxia antes de que caiga detrás.”
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 se tuvo un instrumento lo suficientemente sensible para detectarlos. Los exoplanetas gigantes gaseosos como Júpiter son candidatos principales.
JWST también investigará agujeros negros supermasivos y cuásares, agujeros negros que expulsan materia a la velocidad de la luz en cantidades equivalentes a la masa de una estrella. El telescopio se centrará en los ejemplares muy tempranos de estos fenómenos estelares.
Por último, estudiar galaxias así como estructuras a gran escala del Universo muy temprano podría crear nuevas ideas sobre la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura, que parecen eludir a los científicos durante décadas.
Principal contratista privado de JWST
Northrop Grumman Aerospace Systems
(NOC )
Un proyecto como JWST es casi siempre el resultado de una colaboración internacional, con, en este caso, la participación de NASA, ESA y la Agencia Espacial Canadiense.
También involucró a muchos contratistas del sector privado, siendo el más prominente la empresa aeroespacial y de defensa Northrop Grumman.
Northrop Grumman es más famosa por la creación del icónico bombardero estratégico furtivo B‑2, cada uno con un costo de casi mil millones de dólares. Este diseño de más de 20 años será reemplazado por el B‑21, que aún está en desarrollo.
La compañía también está en la vanguardia de la tecnología espacial, como lo ilustra su trabajo en el vanguardista Telescopio Espacial James Webb. La empresa obtiene la mayor parte de sus ingresos de sistemas espaciales y aeronáuticos.
Fuente: Northrop
Otro gran segmento 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 calibre pequeño hasta proyectiles guiados y de gran calibre.
Northrop Grumman espera consolidar su posición como proveedor de armas avanzadas, con el desarrollo y despliegue de sistemas de armas autónomas:
- X‑47B, una aeronave no tripulada del tamaño de un caza de ataque sin cola.
- El dron helicóptero Fire Scout.
- Drones de vigilancia Global Hawk y MQ‑4C Triton.
- Drones marítimos Manta Ray y AQS‑24B/C Sistema de detección de minas.
- Bat Unmanned Aircraft System (UAS), sistemas aéreos no tripulados multi‑misión, persistentes y asequibles.
Fuente: Northrop
La compañía está en la frontera del desarrollo de armas de energía directa (láseres), guerra electrónica, sistemas anti‑dron, y misiles balísticos intercontinentales.
Desde un punto de vista de inversión y financiero, Northrop Grumman ha incrementado su dividendo en un 12 % CAGR desde 2014, mientras también reducía el número de acciones en un 31 %. Esto resultó en 2,6 mil millones de dólares en dividendos y recompras de acciones en 2023, mientras la compañía generó 2,1 mil millones de dólares en flujo de caja libre.
Northrop Grumman casi exclusivamente deriva sus ingresos del presupuesto de defensa de EE. UU., con la NASA representando el 3 % de los ingresos y las ventas internacionales el 12 %.
Fuente: Northrop
Mientras empresas como RTX y Lockheed proporcionan la mayor parte del poderío de la Fuerza Aérea de EE. UU. (aviones de combate, misiles, defensa aérea), Northrop Grumman está proporcionando la capacidad más avanzada, desde el espacio hasta el mando integrado y bombarderos estratégicos furtivos.
Y quizá 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 furtivos serán un factor clave para mantener el ritmo con adversarios de pares como Rusia y China, con quienes las tensiones siguen muy altas.
