Astronomía para Todos

Capı́tulo
1
Astronomı́a en la próxima década.
Del Hubble al Telescopio Espacial
James Webb
Juan Rafael Martı́nez Galarza
Universidad de Leiden, Paı́ses Bajos.
años después de las primeras observaciones telescópicas de Galileo, serı́a difı́cil
C uatrocientos
pensar en la astronomı́a moderna sin los instrumentos que utilizamos en la actualidad para
estudiar los cuerpos del Universo, desde los planetas de nuestro Sistema Solar, nuestros más
próximos vecinos en términos cósmicos, hasta las galaxias más remotas del Universo temprano.
En particular, la generación de telescopios puestos en órbita que comenzó con el Telescopio
Espacial Hubble a principios de los años 90s y que se extiende en la siguiente década con el
Telescopio Espacial James Webb, ha aportado en veinte años de descubrimientos más datos
astronómicos que todos los telescopios que les precedieron juntos. Pero, ¿qué es un telescopio
espacial? ¿Por qué la humanidad se ha aventurado a instaladar observatorios astronómicos en
el espacio, con los costos y riesgos que ello implica? Con el reciente lanzamiento del Telescopio
Espacial Herschel y la puesta a punto del Telescopio Espacial James Webb, con una fecha de
lanzamiento prevista para el final de la década, estas preguntas no podrı́an ser más pertinentes
para la astronomı́a contemporánea.
1.1.
¿Qué es un telescopio espacial?
Podemos pensar en un telescopio espacial de dos maneras: como un satélite artificial adaptado para hacer observaciones astronómicas, o como un telescopio adaptado para hacer observa1
CAPÍTULO 1.
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ASTRONOMÍA EN LA PRÓXIMA DÉCADA. DEL HUBBLE AL TELESCOPIO ESPACIAL JAMES
WEBB
ciones desde el espacio. Cualquiera que sea la definición que adoptemos, un telescopio espacial
como el Hubble (luz visible), el Spitzer (infrarrojo cercano), el Chandra (rayos X) o el Observatorio Espacial Herschel (infrarrojo lejano), tienen una serie de elementos en común. Como
cualquier instrumento astronómico moderno, un telescopio espacial cuenta con un sistema óptico, descendiente directo de los pequeños lentes usados por Galileo, que le permite recolectar
la luz proveniente de los cuerpos astronómicos. El principal elemento óptico en los telescopios
modernos es el espejo principal, una superficie cóncava reflectora que enfoca la luz y la dirige
hacia un plano focal donde se forma la imágen y donde se lo calizan los instrumentos cientı́ficos.
Si pensamos en el telescopio como un ojo humano, el espejo principal serı́a el cristalino, y los
instrumentos ópticos la retina. Son éstos instrumentos los que registran la radiación recibida y
la almacenan como datos astronómicos, para su análisis cientı́fico. Finalmente, un conjunto de
instrumentos de comunicaciones se encarga de enviar los datos recolectados a los astrónomos en
la Tierra.
Cuando a mediados del siglo XX Lyman Spitzer propuso por primera vez la instalación de
un telescopio en el espacio, la comunidad cientı́fica lo tomó como una propuesta descabellada. No
sólo por los enormes costos que significaba lanzar al espacio miles de kilogramos de instrumentos
ópticos y electrónicos, sino por el aún más ambicioso reto técnico que ello implicarı́a. El telescopio
no sólo tendrı́a que sobrevivir al lanzamiento en un cohete cargado de combustible, sino que
además cada uno de sus componentes tendrı́a que funcionar a la perfección para garantizar datos
astronómicos de calidad. Ası́ que la pregunta más natural que se hicieron los astrónomos de la
época fue: ¿por qué lanzar un telescopio al espacio si podemos hacer observaciones astronómicas
desde la Tierra? En la respuesta a esa pregunta está no sólo la esencia de la astronomı́a hecha
desde el espacio, sino también el secreto de la era de oro de la ciencia del Universo.
La primera razón para lanzar un observatorio al espacio tiene que ver con la absorción de
radiación electromagnética por parte de la atmósfera terrestre. Si bien nuestra atmósfera es
transparente para la luz visible que detenctan nuestros ojos, no es éste el único tipo de radiación que producen los cuerpos astronómics. Por ejemplo, la radiación de estrellas masivas recién
nacidas calienta los granos de polvo presentes en el medio interestelar, y éstos a su vez emiten
esta energı́a en forma de radiación infrarroja invisible al ojo humano. Esta radiación infrarroja
es absorbida y dispersada por las moléculas de gas en la atmósfera y no alcanza nuestros telescopios terrestres, y por lo tanto sólo podemos tener acceso a ella si observamos desde el espacio.
En la Figura 1.1 ilustramos la absorción de la atmósfera en diferentes regiones del espectro.
Mientras que la luz visible, indicada por los colores del arco iris, y las ondas de radio atraviesan
la atmósfera y pueden ser detectadas en tierra, las indas infrarrojas y los rayos X son absorbidos
y nunca nos alcanzan. Es allı́ donde los telescopios espaciales juegan un papel importante.
La atmósfera no sólo absorbe y dispersa la radiación electromagnética, sino que además
la distorsiona. Los movimientos aleatorios de las moléculas de aire deforman las imágenes que
nos llegan del espacio, y que de otra manera serı́a detectadas de manera más nı́tida por los
telescopios en tierra. La distorsión de una imágen debida a la turbulencia atmosférica se conoce en
astronomı́a como seeing. Aunque la última generación de telescopios terrestres, tales como el Very
1.1. ¿QUÉ ES UN TELESCOPIO ESPACIAL?
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Figura 1.1: Opacidad de la atmosfera para diferenets longitudes de onda. Las ’ventanas’ a través de las cuales la radiación
nos alcanza en la tierra se reducen a la luz visible y las ondas de radio. Los telescopios espaciales cubren los demas rangos.
Crédito NASA.
Large Telescope (VLT), incluyen tecnologı́as que corrigen este tipo de distorsión mediante espejos
deformables que compensan el seeing, la óptica adicional necesaria es costosa y complicada, y
por supuesto sólo funciona en aquellas longitudes de onda que logran atravesar la atmósfera
terrestre. La imágen 1.2 revela la notable diferencia en la calidad y la resolución de una imágen
hecha desde el espacio, en comparación con la misma observación hecha en tierra. Las zonas rojas
en esta imágen de la galaxia M83 se deben a la emisión de radiación por parte del gas ionizado,
producto del intenso campo de radiación de estrellas masivas que se han formado recientemente.
Otra justificación para lanzar un telescopio espacial tiene que ver con el hecho de que gran
parte de las observaciones astronómicas que son de relevancia para la astrofı́sica actual, deben
hacerse en la región infrarroja del espectro electromagnético. Los objetos que son más brillantes
en luz infrarroja son aquellos con temperaturas entre 20 y 600 grados Kelvin. Esto corresponde
justamente con la temperatura a la que se encuentran mucho objetos en la Tierra, y de hecho el
Sol mismo es una fuente muy intensa de radiación infrarroja, y por lo tanto de interferencia para
nuestras observaciones astronómicas. Conviene entonces lanzar el telescopio a una región donde
el Sol y la Tierra no sean una fuente de interferencia para las observaciones, es decir, a un lugar
frio. Esto se logra, por ejemplo, en el llamado punto de Lagrange número 2 (L2), que corresponde
a un punto de equilibrio en la gravedad del sitema Sol-Tierra. Para un objecto colocado cerca de
L2, la Tierra y el sol están siempre en la misma dirección, ası́ que la calibración y la protección
contra posibles interferencias es mucho más fácil. El Telescopio Espacial Herschel, por ejemplo,
se encuentra en este lugar priviliegiado, y hacia allı́ también será lanzado el Telescopio Espacial
James Webb al final de la década.
En términos puramente observacionales, lo que buscamos con cada nuevo telescopio espacial
es aumentar la sensitividad con que observamos el Universo. Esto se traduce en objectos cada vez
menos brillantes que nuestros instrumentos traen al alcance de nuestra capacidad analı́tica. Estos
objetos pueden ser lejanas galaxias en proceso de formación, u objetos más cercanos que por
CAPÍTULO 1.
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ASTRONOMÍA EN LA PRÓXIMA DÉCADA. DEL HUBBLE AL TELESCOPIO ESPACIAL JAMES
WEBB
Figura 1.2: Comparación en la resolución de la galaxia M83, para un telescopio en Tierra y el telesocpio espacial Hubble.
Nótese el gran detalle con que se observan las zonas oscuras donde la radiación de estrellas recién formadas es absorbida
por el polvo interestela. Crédito: NASA, ESA
naturaleza son opacos, como es el caso de los planetas extrasolares. En épocas pre-telescópicas,
nuestra sensitividad observacional estaba limitada por la capacidad de nuestro ojo humano. Casi
ningún objeto fuera de nuestra galaxia era visible a los ojos de los hombres anteriores a Galileo,
e incluso la gran mayorı́a de la estrellas de la galaxia eran invisibles desde la Tierra. Con la
paulatina introducción de instrumentos más poderosos, nuestros ojos ya no fueron el lı́mite. Ası́,
Galileo logró observar con su telescopio objetos que eran casi 100 veces menos brillantes que
las estrellas visibles a simple vista. La detección fotográfica en la primera mitad del siglo XX
permitió la detección de objetos un millón de veces menos brillantes que las estrellas que vemos
en la noche más lı́mpida de Villa de Leyva. Y con el Telescopio Espacial Hubble, hoy en dı́a
podemos observar objetos que son 10 mil millones de veces menos brillantes. La historia no se
detiene allı́. El sucesor del Hubble, el Telescopio Espacial James Webb, podrá observar objetos
que son mil veces menos brillantes que aquellos observados por el Hubble.
Se han expuesto aquı́ hasta ahora las razones para poner un telescopio en el espacio, ası́
como algunos de los retos técnicos que ello implica. Hablemos ahora de los costos. ¿Cuál es el
costo de enviar un observatorio astronómico al espacio y de mantenerlo en operación por varios
años? En la actualidad ninguna nación en solitario puede asumir los gastos de una operación
de esta talla, y quienes han puesto hasta el momento telescopios en el espacio son consorcios de
naciones en lugar de paı́ses individuales. En el caso del Telescopio Espacial James Webb, por
ejemplo, quien financia los costos es un consorcio compuesto por los Estados Unidos, Europa y
Canadá. Mientras los Estados Unidos son responsables del emsamblaje de todo el telescopio y
1.2. EL TELESCOPIO ESPACIAL HUBBLE HOY
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de la mayorı́a de instrumentos, Europa provee uno de los instrumentos y será responsable por la
puesta en órbita del telescopio. Canadá está a cargo de los sensores que le permitirán al telescopio
apuntar con exactitud hacia sus objetivos de estudio. El costo total de la misión, incluyendo el
diseño, la construcción y la operación por 10 años es de 4500 millones de dólares. Esto es lo que
costarı́a alimentar a 500 mil familias colombianas a lo largo de un año. Y entonces surge una
pregunta natural: ¿vale la pena que las naciones gasten recursos en éste tipo de proyectos? Éste
capı́tulo busca convencer al lector de que la respuesta a esa pregunta es afirmativa.
1.2.
El Telescopio Espacial Hubble Hoy
Tras más de 20 años en el espacio, el Telescopio Espacial Hubble, el primero en la serie de
observatorios en el espacio, continúa vigente. En la actualidad los astrónomos del mundo siguen
utilizando el Hubble para sus investigaciones, y grandes descubrimientos recientes se han hecho
con su ayuda, como por ejemplo la reciente detección de una galaxia temprana que existı́a ya
cuando el universo tenı́a apenas 480 millones de años, es decir, menos del 4 % de su edad actual.
El descubrimiento tiene implicaciones profundas en cuanto a las teorı́as aceptadas que explican
la formación de las primeras galaxias.
Este es sólo un ejemplo de los miles de descubrimientos que se han efectuado con el Hubble,
aun después de dos décadas de funcionamiento, lo cual demuestra cuán efectivo y cientı́ficamente
provechosos puede ser la instalación de un telescopio espacial. Por supuesto, el Hubble tiene la
ventaja de no necesitar aislamiento térmico, pues se trata de un telescopio que observa en luz
visible, y por lo tanto no se encuentra en el lejano punto L2, sino en órbita alreadedor de la
Tierra, a 300 kilómetros de altura. A esta distancia, es fácilmente accesible por el transborador
espacial y por astronautas que pueden repararlo y actualizarlo. La última de estas misiones para
actualizar el Hubble tuvo lugar en la primera mitad de 2009, y fue durante esta misión que se
instalaron los últimos y más modernos instrumentos para el telescopio: una cámara de campo
ancho, que puede captar una region considerablemente grande del cielo con gran sensitividad,
y un espectrógrafo de media resolución en el ultravioleta que, mediante la descomposición de
la luz en sus diferentes energı́as, permite el estudio de las condiciones fı́sicas que permitireon el
orı́gen de estructuras en el Universo temprano, entre otros objetivos cientı́ficos.
La Figura 1.3 muestra cuatro ejemplos de imágenes captadas con la cámara recientemente
instalada, que son ademas ejemplos de diversos objetos astronómicos a cuatro escalas diferentes:
En la primera de las imágenes se observa la nebulosa planetaria NGC 6302, un intrincado
patrón de luz cuya extensión hace recordar las alas de una mariposa, y que se originó
cuando una estrella moribunda (en el centro) expulsó sus capas exteriores de gas y las
iluminó con los últimos fulgores de su luz moribunda. La forma de mariposa se debe a la
rotación de la estrella y a los campos magnéticos asosiados a ella.
La segunda imágen en la parte superior muestra el denominado quinteto de Stephan, en
honor de su descubridor. Se trata de un conjunto de galaxias unidas gravitacionalmente
CAPÍTULO 1.
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ASTRONOMÍA EN LA PRÓXIMA DÉCADA. DEL HUBBLE AL TELESCOPIO ESPACIAL JAMES
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que interactúan y se deforman mutuamente debido a sus masivas estructuras espirales
en interacción. El quinteto es un impresionante ejemplo de interacción galáctica y ofrece
luces acerca de cómo las colisiones de galaxias influyen en la evolución de cada galaxia por
separado.
La parte inferior de la imágen, a la izquierda, muestra la parte central del cúmulo globular
Omega Centauri, una gigante colección estrellas cuya masa total es de aproximadamente
5 millones de veces la masa de nuestro sol, y que se formaron juntas en la periferia de
nuestra galaxia hace 12 mil millones de años, muy temprano en la historia del Universo.
Los diversos colores de los puntos brillantes se deben a diferentes estado evolutivos de las
estrellas qe conforman este cúmulo.
Finalmente, el último pánel de la imágen muestra una gran columna de gas interestelar en
la nebulosa de Carina, en el centro de la cual la formación de nuevas estrellas está teniendo
lugar.
Figura 1.3: El Telescopio Espacial Hubble ha contribuido a todos los campos de la astronomı́a, desde la formación de
estrellas hasta el ensamblaje de las primeras galaxias. Crédito NASA..
1.3. LOS APORTES DEL TELESCOPIO ESPACIAL HUBBLE
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El Telescopio Hubble no actúa solo, sino en feliz coordinación con sus hermanos en órbita. La
imágen 1.4 muestra la región del centro de nuestra Vı́a Láctea observada simultáneamente por
tres grandes telescopios puestos en el espacio: el Hubble (luz visible), el Spitzer (luz infrarroja)
y el Chandra (rayos X). Cada telescopio nos proporciona observación única y diferente sobre lo
que sucede en la región central de nuestra galaxia. Mientras los rayos X nos indican eventos de
alta energı́a asociados con colisiones estelares o agujeros negros cerca del centro de la galaxia,
la luz infrarroja nos da una idea de cuánto polvo interestelar existe en esta región del Universo,
y de cuántas estrellas se forman allı́ actualmente. No deja de ser cientı́ficamente relevante que
sucedan eventos de formación estelar en el centro de nuestra galaxia, ya que el centro galáctico
es una región perturbada por la presencia de un agujero negro masivo, y en general esperarı́amos
que la formación estelar de la galaxia tuviera lugar en regiones más exteriores de la galaxia.
Figura 1.4: El centro de nuestra galaxia fotografiado por tres telescopios espaciales. Diferentes procesos fı́sicos son evidenciados en diferentes longitudes de onda. Crédito NASA.
1.3.
Los aportes del Telescopio Espacial Hubble
Repasemos algunos de los descubrimientos en los que el Hubble ha sido protagonista, y que
cubren un amplio conjunto de escalas, desde nuestros vecinos en el Sistema Solar, hasta las
estructuras más grandes y fundamentales del Universo, a nivel cosmológico. Tal vez uno de los
hallazgos más relevantes que el Hubble ha permitido es el descubrimiento de supernovas tipo
Ia en galaxias lejanas. Este tipo de supernovas son el producto de la explosión de una enana
blanca y tienen la particularidad de mostrar una curva de luz muy definida y bien estudiada.
Puesto que sabemos qué tan brillantes son estas explosiones intrı́nsicamente, podemos saber qué
tan lejos suceden con tan solo medir su brillo aparente, de la misma manera en que podrı́amos
estimar la distancia de un automóvil que se acerca en la noche si conocemos la potencia de sus
CAPÍTULO 1.
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ASTRONOMÍA EN LA PRÓXIMA DÉCADA. DEL HUBBLE AL TELESCOPIO ESPACIAL JAMES
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luces. Esto ha permitido determinar con gran precisión la distancia a galaxias muy lejanas, que
ya formaban estrellas en su interior cuando el Universo tenı́a apenas el 10 % de su edad actual.
Al relacionar la distancia a estas galaxias con la velocidad a la que se alejan de nosotros,
podemos estudiar en detalle el comportamiento de la expansión del Universo. Los datos aportados
por el Hubble han permitido determinar que la expansión del Universo se está acelerando, y que
por lo tanto debemos revisar nuestras teorı́as cosmológicas, pues para que el Universo se expanda
ha de existir una densidad negativa de energı́a que contrarreste la tendencia de la gravedad
a contraer el Unvierso. A esa densidad negativa de energı́a la llamamos la energı́a oscura, y
merecerı́a un capı́tulo entero, ası́ que aquı́ no la discutiremos en detalle.
Figura 1.5: Historia de formación estelar en el universo. Crédito NASA.
La historia de cómo se forman las estrellas al interior de las galaxias, y de cómo la formación
estelar ha evolucionado a traves de la histira cósmica es otra historia que el Hubble nos ha ayudado a contar. Antes del Hubble los astrónomos ya habı́an inferido que en el Universo temprano
se formaban estrellas a una tasa más alta que aquella a la que se forman actualmente. En otras
palabras, en el Universo temprano se formaban muchas más estrellas que en la actualidad. Sin
embargo, es imposible pensar que la tasa de formación estelar se incrementa indefinidamente
hacia atrás en el tiempo, pues esto significarı́a que el Universo ya formaba estrellas en épocas
muy tempranas, cuando aun no se habı́a formado ningún tipo de estructura. Debió existir un
momento en la historia del Universo donde la tasa de formación estelar alcanzó un máximo.
Mediante observaciones de galaxias distantes con actividad de formación estelar en su interior,
los astrónomos han determinado que ese máximo ocurrió cuando la edad del Universo era entre
500 millones de anios y 1000 millones de años (Fig. 1.5), mucho antes de lo que originalmente se
pensaba. Esto supone un modelo completamente nuevo de la historia del Universo, y para ver
y entender esas primeras estrellas tendremos que esperar al lanzamiento del Telescopio Espacial
1.3. LOS APORTES DEL TELESCOPIO ESPACIAL HUBBLE
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James Webb.
En el centro de nuestra galaxia, la Vı́a Láctea, existe una agujero negro con una masa
equivalente a 4 millones de soles. De hecho, agujeros negros supermasivos parecen exisitir en
los densos núcleos de la mayorı́a de las galaxias espirales. Esto lo sabemos en parte gracias al
Telescopio Hubble, que observó una muestra considerable de galaxias y estableció que existe
una relación entre la masa total del las galaxias y el tamaño del agujero negro en su centro.
Estos monstruos gravitacionales juegan un papel muy importante en la evolución galáctica, y
son probablemente el motor que proporciona la mayor parte de su energı́a radiativa. Sin su
presencia serı́a muy difı́cil explicar los movimientos de las estrellas cerca del centro galáctico, o
la naturaleza de los núcleos activos de galaxias, donde una gran cantidad de energı́a gravitacional
es convertida en radiación de alta energı́a.
Figura 1.6: Detección de un planeta extrasolar.
Hablemos ahora de escalas más pequeñas, y pasemos de las galaxias inmensas a los miles
de planetas que pululan en su interior. El descubrimiento de planetas extrasolares, es decir,
planetas orbitando estrellas diferentes al Sol, es probablemente la última gran revolución de
la astronomı́a. En la actualidad sabemos de más de 500 planetas extrasolares confirmados, y
en algunos de ellos ya empezamos a estudiar su composición, su densidad y su temperatura.
Muy pronto sabremos qué tan comunes son los planetas como la Tierra en nuestra galaxias. El
Hubble, también en este campo, ha tenido un papel protagónico.
La Figura 1.6 muestra una imágen sorprendente: se trata de la estrella Fomalhaut, la más
brillante de la constelación Piscis Austrinus, rodeada por un disco de polvo claramete visible
en esta imágen lograda por el Hubble. En el borde interior de este disco de polvo se puede ver
claramente, en dos momentos diferentes, un planeta que orbita a Fomalhaut y que además es
responsable por la forma del disco de polvo. Fomalhaut es mucho más jóven que nuestro Sol,
con aproximadamente 200 millones de años. A esta edad, ya el proceso de formación planetaria
CAPÍTULO 1.
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ASTRONOMÍA EN LA PRÓXIMA DÉCADA. DEL HUBBLE AL TELESCOPIO ESPACIAL JAMES
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ha terminado, y el disco de polvo que vemos es seguramente el producto de colisiones entre
planetoides a medida que los planetas se formabam. El sistema de Fomalhaut puede enseñarnos
mucho acerca del proceso como se formó nuestro propio sistema solar, hace unos 5000 millones
de años.
Pero dejemos al Hubble en su constante órbita de descubrimientos alrededor de la Tierra, y
ocupémonos ahora de algunos de sus dignos sucesores.
1.4.
El Observatorio Espacial Herschel
En mayo de 2009 fue lanzado al espacio por la Agencia Espacial Europea el Observatorio Espacial Herschel, junto con su hermano, el Observatorio Planck. Nos ocuparemos en este capı́tulo
sólamente del primero, bautizado en honor del gran astrónomo y músico alemán, nacionalizado
británico, que construyó el telescopio más grande de su tiempo y descubrió el primer planeta
nuevo, Urano, iniciando ası́ la era de las ciencias planetarias.
Algo verdaderamente revolucionario acerca de este telescopio es que observa por primera
vez en un rango del espectro electromagnético que nunca antes habı́amos observado, entre la luz
infrarroja detectada por Spitzer, y la radiación submilimétrica detectada por algunos radiotelescopios.
A diferencia del Hubble, Herschel es un telescopio capaz de detectar luz infrarroja de muy
baja energı́a, tı́pica de cuerpos cuyas temperaturas están por debajo de los 250 grados bajo cero,
es decir, cuerpos aún más frı́os que las pequeñı́simas partı́culas de polvo interestelar alrededor
de estrellas jóvenes. En lugar de estas pequeñas partı́culas, Herschel puede detectar partı́culas
cuyos tamaños son cercanos a un milı́metro, y que se encuentran en las partes más exteriores
de los discos que rodean estrellas en formación, y también en discos de escombros, como el que
se ve alrededor de Fomalhaut. Si bien estas partı́culas son más frı́as, contienen la mayor parte
de la masa del polvo interestelar, y por lo tanto Herschel está en proceso de censar la cantidad
total de polvo interestelar a varias escalas. Además, Herschel estudia las propiedades de las
nubes frias de gas molecular que son la primera etapa en el proceso de formación estelar, y
realiza observaciones de moléculas muy importantes para la quı́mica de la formación planetaria,
incluida el agua. Ninguna de estas observaciones es posible con el Hubble, que observa cuerpos
mucho más calientes.
Para lograr estos objetivos cientı́ficos y todos los demás que se ha trazado, Herschel cuenta
con una vida mucho más corta que el tiempo de vida del Hubble, con un tiempo nominal de
operación de entre tres y cinco años. La razón es que, siendo un telescopio infrarrojo, debe ser
enfriado a una temperatura de 85 grados por encima del cero absoluto, y el sistema que logra este
enfriamiento se basa en una cantidad fija de Helio que se agotará una vez pasado este tiempo.
Puesto que además el telescopio se encuentra en el punto L2, a 1.5 millones de kilómetros de la
Tierra, es imposible tener acceso para actualizaciones o reparaciones.
El espejo primario de Herschel, su área colectora de luz, tiene un diámetro de 3.5 metros,
1.4. EL OBSERVATORIO ESPACIAL HERSCHEL
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Figura 1.7: Una concepción artı́stica del Observatorio Espacial Herschel. Crédito ESA.
lo cual hace de Herschel el telescopio más grande jamás lanzado al espacio (en comparación,
el espejo del Hubble tiene apenas 2.5 metros, y el de Spitzer, otro telescopio infrarrojo, apenas
85 centı́metros). Además, también lleva a bordo el primer espectrógrafo de campo integral que
se haya puesto en el espacio: PACS, por sus siglas en inglés. Este tipo de espectrógrafo es
capaz de captar al mismo tiempo la información espacial y espectral de un objeto. En palabras
más simples, esto significa que cada fotografı́a que tomamos con PACS es en realidad muchas
fotografı́as, una para cada tipo de luz en el rango detectado por Herschel. Esto es extremadamente
útil, pues ahorra mucho tiempo en la recolección de datos.
La Figura 1.8 muestra una imágen obtenida con Herschel. Se trata de la galaxia M51,
conocida como la galaxia remolido, debido a su majestuosa estructura espiral. M51 ha sido objeto
de múltiples estudios en estronomı́a infrarroja, ya que reúne todos los ingredientes de una tı́pica
galaxia espiral: una estructura definida, un núcleo denso, y brazos espirales poblados de zonas
de formación estelar. De hecho, M51 ha sido el prototipo para entender cómo la cantidad de
polvo y gas en una galaxia “normal” determinan la cantidad de formación estelar que allı́ sucede.
CAPÍTULO 1.
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ASTRONOMÍA EN LA PRÓXIMA DÉCADA. DEL HUBBLE AL TELESCOPIO ESPACIAL JAMES
WEBB
Hershel nos permite observar claramente las regiones frı́as de M51 donde comienza la historia
de las estrellas. Los puntos azules son los sitios m’as calientes donde el colapso gravitacional que
forma nuevas estrellas ha comenzado.
Figura 1.8: Imagen de la galaxia espiral M51 cone el telescopio Herschel.
1.5.
Un Coloso Frio en el Espacio
Pero lo más emocionante está aún por venir. En la segunda mitad de la década, un telescopio
espacial de dimensiones inéditas, el objecto más grande lanzado al espacio en una sola pieza, será
puesto en órbita, en un esfuerzo conjunto de NASA, la Agencia Espacial Europea y la Agencia
Espacial Canadiense. Con un espejo principal de 6.5 metros de diámetro y la envergadura de
un avión comercial, el Telescopio Espacial James Webb revolucionará una vez la astronomı́a
moderna. Una vez abra su ojo hacia los misterios del Universo, Webb verá mucho más lejos que
ningún otro telescopio en el pasado, y sus investigaciones nos permitirán responder preguntas
como: ¿Cuándo exactamente se formaron las primeras estrellas en el Universo y cómo eran? ¿De
qué estan compuestos y qué tan comunes son los planetas extrasolares similares a la Tierra?
¿Cómo se formaron las primeras galaxias?
El Telescopio Espacial James Webb está actualmente en construcción. La mayor parte de
la estructura se encuentra en los Estados Unidos, pero algunas partes fundamentales, incluı́do
el más complejo de sus instrumentos, ha sido ensamblado en Europa. En los próximos dos
o tres años el telescopio será ensamblado en una sola pieza antes de ser montado en lo más
alto de un cohete Ariane 5, con un lanzamiento previsto no antes de 2016. Webb reune las
caracterı́sticas de detección infrarroja de Herschel y Spitzer, pero se considera el sucesor del
Telescopio Espacial Hubble, ya que observará también en luz infrarroja cercana, en longitudes
de onda que también Hubble observa en la actualidad. La importancia del telescopio Webb es
1.5. UN COLOSO FRIO EN EL ESPACIO
13
tal, que NASA ha decidido separar su presupuesto del resto de presupuesto de la agencia, para
garantizar su financiamiento.
Lanzar al espacio un telescopio del tamaño de un avión no es asunto fácil. El primer problema
es hacerlo caber dentro de un cohete que tiene un tamaño fijo. El cohete en funcionamiento con
mayor capacidad es el Ariane 5, de la Agencia Espacial Europea, pero ni siquiera este vehı́culo es
lo suficientemente grande para transportar una carga del tamaño de Webb. La solución es enviar
el telescopio en una configuración más compacta, que se transformará en su configuración de
observación una vez llegue al punto L2. El despliegue de los diferentes componentes del telescopio
en el espacio es uno de los retos técnicos más difı́ciles de la misión. Esta es tambien una de las
razones por las cuales el espejo principal del Telescopio Webb no será en una sola pieza, sino
que será una colección de telescopios hexagonales más pequeños (ver Figura. 1.9), como los que
ya se usan para los grandes telescopios en tierra.
Figura 1.9: Fotografı́a de algunos ingenieros con espejos del telescopio. Crédito NASA
Webb llevará a bordo tres instrumentos: una cámara y un espectrómetro en el infrarrojo
cercano, y un complejo instrumento del infrarrojo medio, construı́do en Europa, que consiste
de una cámara, un espectrómetro y un coronógrafo. Éste último compoenente es una máscara
que bloquea la luz de una estrella para hacer observaciones detalladas de sus inmediaciones,
donde pueden estar ocultos, por ejemplo, planetas extrasolares. Con estos instrumentos, Webb
será el primer telescopio en caracterizar las superficies y las atmósferas de planetas extrasolares,
y también el primero en detectar la luz de la época de reionización del Universo, cuando los
fotones emitidos por las primeras estrellas de la historia excitaron el gas neutral del Universo
primigenio.
Para tener una idea de la evolución de los telescopios espaciales durante las últimas dos
décadas, en la Figura 1.10 mostramos una comparación en el tamaño de los espejos principales
de los espejos principales de los tres telescopios que hemos presentado en este capı́tulo, y también
CAPÍTULO 1.
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ASTRONOMÍA EN LA PRÓXIMA DÉCADA. DEL HUBBLE AL TELESCOPIO ESPACIAL JAMES
WEBB
una representación de las longitudes de onda en que cada telescopio observa el Universo. Como
vemos, en comparación con Hubble, no sólo el área colectora de Webb será mucho mayor, sino
que además el espectro de energı́as que podrá observar, y por lo tanto el rango de fenómenos
fı́sicos que logrará observar.
Figura 1.10: Comparación en el tamaño de los espejos y la cobertura en longitudes de onda de los diferentes telescopios.
Crédito NASA/ESA.
La diferencia en el tamaño del espejo se traduce en la profundidad con la que Webb podrá
observar las zonas remotas del Universo. En la Figura 1.11 se aprecia una comparación entre la
imágen más profunda realizada con el Hubble y una simulación que representa la sensitividad
esperada con el Telescopio Webb. Cada punto brillate en la imágen corresponde a una galaxia
lejana. Ningún otro instrumento en el futuro podrá ver más lejos que Webb, y esto no se debe
a que nuestra tecnologı́a se quede estancada en un punto, sino a que Webb será capaz de
ver las primeras galaxias que se formaron en la historia del Universo. Más allá no hay más
galaxias, sino la edad oscura en la que aún no se habı́an formado fuentes luminosas y el Universo
era electricamente neutro y radiativamente inactivo. Y aún más atrás sólo está el fondo de
microondad que es el eco del Big Bang. Con Webb estaremos cruzando un umbral no solo en
nuestra capacidad tecnológica, sino también en la historia del Universo.
Finalizamos este capı́tulo con un breve recuento de los cuatro principales objetivos cientı́ficos
del Telescopio Espacial James Webb, que son además los cuatro grandes pilares en que se basará
la astronomı́a observacional de esta década.
La primera luz.
Los primeros 500 millones de años en la historia del Universo fueron sin duda muy emocionantes. Auque cubren solo el 4 % de la edad del Universo, fue durante ese periodo que se
decidió cuál serı́a la estructura del Universo, con todos sus cúmulos de galaxias, galaxias,
estrellas y planetas. Tras el momento inicial del Big Bang y el perı́odo llamado de inflación,
1.5. UN COLOSO FRIO EN EL ESPACIO
15
Figura 1.11: Comparación emtre una imagen obtenida por el telesocpio Hubble y una simulación de lo que se cree observará
el telescopio James Webb. Crédito NASA.
la temperatura descendió hasta que el plasma de partı́culas cargadas que era el Universo
se convirtió en átomos de hidrógeno y helio, y los fotones se descoplaron de la materia.
El Universo se hizo transparente y eléctricamente neutro, y sólo después de un tiempo,
tras el colapso del gas primigenio perturbado por variaciones de temperatura y densidad,
empezaron a formarse las primeras estrellas, que ionizaron de nuevo el gas a partir del
cual se formaron. Webb será capaz de ver estas primeras estrellas, acerca de las cuales
ahora sólo podemos conjeturar. ¿Cómo se aglomeraron para formar las primeras galaxias,
y cómo influenciaron la estructura y evolución de las mismas? ¿Qué tan grandes eran las
primeras estrellas? Algunos creen que debido a la ausencia de elementos más pesados en el
Universo primigenio, las primeras estrellas pudieron tan masivas como 1000 soles juntos.
¿Qué tanto tiempo vivieron y cómo murieron? Explosiones aún más energéticas que las
supernovas y colapsos entre grandes estrellas pueden haber generado algunos de los eventos
más energéticos en la historia del Universo.
El ensamblaje de las galaxias.
A medida que retrocedemos en la historia del Universo, encontramos galaxias cada vez
más activas. El Universo temprano parece haber sido una época en que las galaxias no
sólo formaban más estrellas, sino que además interactuaban mucho más unas con otras,
evolucionando hacia morfologı́as más complejas y generando grandes cantidades de energı́a, producto de la compresión del gas por la interacción gravitacional, núcleos activos
dominados por agujeros negros masivos y formación estelar. El proceso de cómo las primeras galaxias evolucionaron hacia las morfologı́as, tamaños y energı́as que observamos hoy
es otra de las preguntas que Webb tratará de resolver haciendo un censo de las primeras
galaxias en formarse, cuando grandes cantidades de materia oscura colapsaron y formaron
“grumos” en cuyo centro se encendieron los primeros universos isla. Aunque el proceso
CAPÍTULO 1.
16
ASTRONOMÍA EN LA PRÓXIMA DÉCADA. DEL HUBBLE AL TELESCOPIO ESPACIAL JAMES
WEBB
de formación galáctica continúa aún hoy, una comparacion entre el Universo actual y el
Universo de los primeros tiempos nos permitirá entender mejor el ciclo de vida de las
galaxias.
El nacimiento de las estrellas y los sistemas planetarios.
Las estrellas se forman al interior de densas y frias nubes de gas y polvo, preferencialmente
en los brazos espirales de las galaxias. Estas nubes tienen tamaños de unos cuantos años luz,
y dadas sus bajas temperaturas son muy difı́ciles de detectar (Figura 1.12). En la actualidad
los astrónomos saben que algunas regiones de éstas nubes colapsan gravitacionalmente para
dar inicio a un proceso que culminará con la formación de estrellas. Desde el punto de vista
teórico, el proceso que lleva desde el inicio de este colapso hasta la ignición termonuclear
que define a la estrella está bien estudiado. Sin embargo, las condiciones iniciales en la
gran nube fria que dan lugar al colapso son todavı́a un misterio que las observaciones de
Webb ayudarán a resolver. De la misma manera, Webb estudiará los discos de gas y polvo
que se forman alrededor de las estrellas jóvenes tras el colapso, y a partir de los cuales se
forman planetas. Qué tipo de sistemas planetarios son posibles y cuáles son las condiciones
para que se formen es otra de las preguntas que tendrán una respuesta más clara después
del lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb.
Figura 1.12: Imagen en el infrarojo de la región Barnard 68. Observar en el infrarrojo nos permite ver a través de la nube.
Crédito ESO.
Los planetas y la vida.
Finalmente, para muchos el más fascinante de los objetivos cientı́ficos de la misión. Una
vez los planetas se han formado a partir del disco protoplanetario que hemos mencionado,
1.5. UN COLOSO FRIO EN EL ESPACIO
17
¿cuáles son las condiciones en éstos planetas? ¿Qué tan grandes son? ¿Qué tan lejos se
forman de su estrella y cuáles son las temperaturas en su superficie? ¿Qué fracción de
planetas se parecen a Júpiter, con una gran masa de gas y sin superficie rocosa, y cuántos
se parecen a la Tierra? ¿De qué se componen sus atmósferas? ¿Pueden albergar vida éstos
planetas? ¿Qué tan comunes son en la galaxia las condiciones para que surja la vida como la
conocemos en la Tierra? Webb podrá observar directamente las superficies y las atmósferas
de muchos de los planetas que hemos descubierto alrededor de otras estrellas, y utilizando
sus instrumentos podrá darnos datos tan detallados como cuáles son las composiciones
quı́micas de sus atmósferas. Será sin duda un paso importante en nuestra intento por
comprender el orı́gen y el sentido de la vida en el Universo.
Si el lector ha llegado al final de éste capı́tulo, espero haberlo convencido de que las dificultades técnicas y los elevados costos que implica instalar telescopios en el espacio son retos que
vale la pena enfrentar. Quisiera haber ido más allá. Tal vez he persuadido a quien esto lee de
que la curiosidad humana ha dado frutos, y que la astronomı́a es el ejemplo más bello de esa
curiosidad. Estos frutos van más allá de los resultados puramente cientı́ficos y tienen que ver de
manera más fundamental con la consciencia colectiva que poco a poco adquirimos del lugar que
ocupamos en el Universo, de lo insignificante de nuestros conflictos internos y de lo inmenso de
nuestros lı́mites como Humanidad. Tal vez cuando cada ser humano en el planeta quiera saber
cómo se forma una galaxia, habremos evitado para siempre la autodestrucción.