Todo preparado para viajar con el ambicioso telescopio espacial ‘James Webb’ que observará el universo

Se trata de una ambiciosa misión de las agencias espaciales norteamericana, europea y canadiense (NASA/ESA/CSA), que incorpora importantes mejoras respecto a su predecesor, tanto a nivel tecnológico como de instrumentación, lo que permitirá a los científicos responder a las grandes cuestiones pendientes sobre el universo primigenio y realizar descubrimientos revolucionarios en todos los campos de la astronomía.

Con su espejo primario segmentado de 6,5 metros, el James Webb recogerá seis veces más luz que el Hubble, cuyo espejo primario es de 2,5 metros. Otro aspecto importante es que mientras que el Hubble se desplaza en una órbita cercana, más o menos circular, a unos 570 km sobre la superficie terrestre, el James Webb no orbitará realmente la Tierra, sino el Sol, situándose a una distancia de 1,5 millones de kilómetros de la Tierra, concretamente en el denominado punto de Lagrange L2 Tierra-Sol. En esa ubicación, el James Webb contará con un escudo solar multicapa del tamaño de una cancha de tenis que bloqueará permanentemente la luz del Sol, la Tierra y la Luna; y mantendrá el telescopio y la instrumentación a temperaturas criogénicas para su correcto funcionamiento. El James Webb contará con cuatro instrumentos, el espectrógrafo NIRSpec y MIRI; y los instrumentos NIRCam y NIRISS/FGS, que combinan cámara con espectógrafos.

España, a través del Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA) tiene una importante participación en esta misión, siendo uno de los pocos centros a nivel mundial que participan en dos de los cuatro instrumentos del James Webb, NIRSpec y MIRI. Además, la participación española en estos instrumentos ha estado liderada por dos investigadores del CSIC, Santiago Arribas (NIRSpec) y Luis Colina (MIRI).

Los operarios examinan los espejos del telescopio ‘James Webb’. / NASA

El instrumento NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) es un espectrógrafo con una altísima sensibilidad, gracias al cual se puede descomponer y analizar la luz infrarroja (entre 0,6 y 5 micras de longitud de onda) con un gran detalle. Esto permite a los investigadores derivar las propiedades físicas, determinar la composición química, y caracterizar los movimientos de los objetos astronómicos observados. NIRSpec está especialmente diseñado para abordar los grandes objetivos científicos de la misión:  la detección y caracterización de las primeras galaxias, y su transformación hasta el presente; los procesos que dan lugar a la formación de estrellas y los sistemas planetarios; y la caracterización de los exoplanetas y, en particular, la composición química y propiedades de sus atmósferas.  

Como indica Santiago Arribas, investigador del CSIC en el CAB y miembro del equipo científico de la ESA para el instrumento NIRSpec: “El Instrumento tiene elementos muy innovadores. Uno de ellos es un dispositivo micro-electromecánico desarrollado por NASA, gracias al cual es posible realizar espectroscopía de muchos objetos, más de 200, simultáneamente. Otra es que puede realizar lo que denominamos espectroscopía 3D. Esta técnica, que será utilizada por vez primera en un telescopio espacial, consiste en obtener simultáneamente miles de imágenes de una pequeña región del cielo en longitudes de onda ligeramente diferentes. Esto nos permitirá caracterizar con mucho detalle sus propiedades físicas, químicas y cinemáticas”.

El instrumento NIRSpec ha sido construido por la ESA con AIRBUS Defensa y Espacio como contratista principal. La NASA ha contribuido al instrumento con los detectores y el dispositivo micro-electromecánico que permite la observación multi-objeto. Las empresas españolas del sector aeroespacial CASA, CRISA (actualmente integradas en el grupo AIRBUS) e Iberespacio han desarrollado importantes componentes del instrumento NIRSpec, como es la electrónica de control de todo el instrumento, el sistema de cableado criogénico, y la cubierta del sistema óptico. 

Investigadores españoles del CSIC han participado en el instrumento NIRSpec durante todas las fases de su desarrollo. En particular, Arribas contribuyó a los trabajos previos preparatorios de la participación europea en el James Webb y ha participado como miembro del equipo científico de NIRSpec desde su origen.  Arribas lidera uno de los programas científicos más extensos que se llevarán con este instrumento, y que tiene como finalidad estudiar, mediante espectroscopía 3D, la formación y evolución de las primeras galaxias y agujeros negros en el universo primigenio.

El investigador Bruno Rodríguez del Pino participa en las pruebas y comprobaciones que se llevarán a cabo después del lanzamiento, y coordina un proyecto cuyo objetivo es caracterizar las propiedades de galaxias con formación estelar intensa.

Michele Perna participa en los grupos de verificación científica del instrumento, y coordina un proyecto centrado en el estudio de los agujeros negros en épocas tempranas.  Estos investigadores participan también en el programa JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey), un gran cartografiado cosmológico que se realiza en colaboración entre los equipos científicos de NIRSpec y NIRCam. A su vez, el investigador Pablo Pérez González participa en varios programas de observación con NIRSpec en modo de espectroscopía 3D, que tienen como finalidad entender por qué algunas galaxias han dejado de formar estrellas en épocas tempranas del universo. 

Estudiar exoplanetas, sistemas protoplanetarios y galaxias

En cuanto a MIRI (Mid-Infrared Instrument), se trata del instrumento más sofisticado enviado al espacio para trabajar en el rango del infrarrojo térmico (longitudes de onda de 5 a 28 micras), y está compuesto por una cámara, un espectrógrafo y un coronógrafo. Será de diez a cien veces más sensible que su inmediato predecesor, y tendrá una resolución angular de 6 a 8 veces superior. Como señala Luis Colina, investigador del CSIC en el CAB y uno de los co-investigadores principales europeos de MIRI, “la combinación de estas características hace que sea un instrumento único para el estudio de exoplanetas, para investigar la química de los discos alrededor de estrellas que dieron lugar a sistemas planetarios (los discos protoplanetarios), y para investigar la formación y evolución de galaxias desde los primeros tiempos de universo y a lo largo de su historia”.

La participación española en MIRI ha sido muy importante, pues desde 2001 se colabora en el desarrollo del instrumento y en su explotación científica. Los grupos de ingeniería del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), bajo la dirección de Lola Sabau, Eva Díaz, Ana Aricha, Tomás Belenguer, Luis Gonzalez, Inmaculada Figueroa y David Barrado, junto con la empresa de ingeniería LIDAX, desarrollaron el MTS (MIRI Telescope Simulator) hasta 2012. El simulador MTS fue el sistema óptico diseñado para simular la señal óptica del James Webb en condiciones de espacio profundo y que se utilizó para la caracterización de MIRI antes de su entrega a NASA en la primavera de 2012.

El equipo científico de MIRI está formado por investigadores del CAB que participan en los equipos científicos europeos del instrumento. En concreto, el investigador del CSIC Luis Colina lidera el grupo que estudiará la formación y evolución de galaxias a distancias cosmológicas, la investigadora del CAB Almudena Alonso Herrerolidera el equipo que estudiará las regiones nucleares y agujeros negros en galaxias cercanas, y el investigador David Barrado participa en el grupo científico de caracterización de exoplanetas y discos protoplanetarios. Además, los investigadores del CAB Javier Álvarez y Álvaro Labiano están involucrados en los grupos científicos y en las labores de calibración y caracterización orbital de MIRI que tendrán lugar durante el primer semestre de 2022, coordinando y liderando varios de los programas de calibración del espectrógrafo.

Otros miembros del equipo científico de MIRI están asimismo involucrados en varios proyectos adicionales. Destaca la participación del investigador del CAB Pablo G. Pérez González en los mayores cartografiados cosmológicos que se realizarán en el primer año de operaciones del James Webb, entre ellos el Cosmic Evolution Early Release Science Survey, CEERS; y el proyecto liderado como investigador principal por el investigador del CAB Javier Álvarez para el estudio de galaxias aparecidas en épocas tempranas del universo (cuando tenía un 5% su edad actual).

Como señala Arribas, “el telescopio James Webb nos va a permitir estudiar la época en la que surgieron los primeros objetos luminosos en el universo primigenio: las primeras estrellas, las primeras galaxias y los primeros agujeros negros. Además, nos ayudará a entender cómo las galaxias han evolucionado desde estas épocas tempranas en la historia del universo hasta el presente y, por tanto, cómo ha ido variando el ritmo de formación de estrellas en ellas, enriqueciendo el universo de elementos químicos”. 

Para Colina, “el principal objetivo del James Webb es explorar nuestros orígenes cósmicos: observará las primeras galaxias del universo, revelará el nacimiento de las estrellas y planetas y examinará los exoplanetas en busca de condiciones que favorezcan la vida”.

NIRSpec y MIRI en el CAB:

https://cab.inta-csic.es/proyectos/telescopio-espacial-james-webb-jwst/

James Webb – Mirando más lejos (pdf):

https://esamultimedia.esa.int/multimedia/publications/BR-348/BR-348_ES.pdf

James Webb – Mirando más lejos (interactivo):

https://indd.adobe.com/view/ef7f2cee-dff7-446c-9b58-f23a327e937b

Más información acerca del instrumento NIRSpec (en inglés):

https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2021/06/Webb_NIRSpec_instrument

https://www.jwst.nasa.gov/content/observatory/instruments/nirspec.html

Más información acerca del instrumento MIRI (en inglés):

https://www.jwst.nasa.gov/content/observatory/instruments/miri.html