El Telescopio Espacial James Webb (Un viaje real en el tiempo)(1)

 

-Un viaje por la historia de nuestro universo-

"En nombre de todos los científicos y todas las personas curiosas de todo el mundo, ¡gracias al equipo que hizo posible el telescopio Webb! Representa décadas de trabajo de más de 10,000 de nosotros, uniendo nuestros corazones, mentes y dedos a través de problemas, noches, fines de semana y COVID".     John C. Mather (Premio Nobel de Física 2006) (Científico principal del proyecto de la misión).

Luego de intentar comprender los innumerables universos de la interpretación de Everett, hoy es el día en que depositamos todas nuestras esperanzas en que sabremos un poco más del nuestro.

Transcurrida una historia incompleta y por supuesto no exhaustiva de 12 entradas, cruzamos en ésta, de un indeterminismo intrínseco propio de la física cuántica, a una física clásica aplicada en su más estricto y minucioso determinismo para lograr una secuencia de operaciones de una complejidad extrema, que creo sin antecedentes.  Así lo requiere la misión en que además de las agencias espaciales de la NASA, ESA y CSA (Canadian Space Agency), han colaborado científicos de numerosos países.

Por supuesto que ha sido una larga espera, pero confiemos que estamos en el inicio de una exitosa misión, sumamente ambiciosa, que será trascendental para el conocimiento humano del cosmos.

Si me obligaran a definir esta misión con dos adjetivos, diría: excitante y significativa. 

Debido a la importancia de la misión, el material informativo sobre la misma está suficientemente detallado cuando accedemos a las fuentes apropiadas. Me estoy refiriendo a las agencias espaciales mencionadas y por ejemplo la Universidad de Arizona, o cualquier otra universidad, organización o compañía involucrada en el desarrollo del Webb, por lo cual voy a hacer un resumen muy abreviado, poniendo énfasis en este primer día de su viaje, guardando espacio para los futuros desafío técnicos que deberá sortear.

La antesala:

Con anterioridad de ser bautizado en el año 2002 con el nombre de James Webb, en homenaje a quien fue administrador de la NASA entre 1961 y 1968, era denominado NGST (Next Generation Space Telescope). Su desarrollo comenzó por 1996, habiendo tenido un rediseño importante en 2005.

Se le asigna el papel de ser el sucesor del Telescopio Espacial Hubble (HST) y del Telescopio Espacial Spitzer (SST) ( o SIRTF por Space Infrared Telescope Facility). Este último, como el Webb, enfocado de manera principal a la astronomía infrarroja. Debemos aclarar que si bien al Telescopio Espacial James Webb se le asigna el papel de sucesor del Hubble, no es su reemplazo. Las dos misiones tienen una superposición planificada y trabajarán en forma conjunta para lograr nuevos descubrimientos.

En las etapas previas al lanzamiento, para transportar el JWST (James Webb Space Telescope) se construyó un contenedor STTARS (Space Telescope Transporter for Air, Road and Sea) especialmente diseñado para transportarlo por aire, carretera y mar. Con este contenedor que es extremadamente grande, las rutas a seguir dentro de los Estados Unidos debieron ser estudiadas cuidadosamente, incluso a veces había que remover semáforos o buscar aquellas que tuvieran ángulos de giro suficientemente anchos. La ventana para movilizarlo además era limitada entre la medianoche y las 6 a.m. y el convoy se movía a solo unos 8 km la hora. En su último viaje llegó a Los Ángeles a bordo de un avión C-5 Galaxy y desde el aeropuerto fue transportado a las instalaciones de Northrop Grumman en Redondo Beach, al sur del aeropuerto de la ciudad de Los Ángeles, California. Los dieciocho segmentos de su espejo primario, en tanto, habían tocado 14 puntos del país. Finalmente el JWST salió desde las instalaciones de Northrop Grumman, en su transporte acolchado y con un entorno climatizado de nitrógeno seco al puerto de Seal Beach donde fue embarcado el 26/09/2021 en el buque MN Colibrí, el cual atravesó el canal de Panamá para arribar a Kourou el día 12/10/2021.

Foto: Arianespace / NASA / Twitter

El cohete Ariane despega con el Telescopio Espacial James Webb plegado en su cofia, desde la ELA 3 entre los cuatro postes que protegen los cohetes de las tormentas eléctricas en Kourou, Guayana Francesa.

El lanzamiento

La empresa encargada de la delicada misión de lanzar al espacio el telescopio espacial James Webb, ha sido Arianespace, desde el ELA3 (Ensemble de Lancement Ariane 3) (Zona de Lanzamiento Ariane 3) del Centro Espacial de Guayana en Kourou en la Guayana Francesa. El lanzamiento luego de varias postergaciones se produjo el 25/12/2021 a la hora 9:20 de Uruguay, 12:20 UTC, 7:20 a.m. EST, con la presencia de un cielo nublado, que no permitió el seguimiento del vuelo visiblemente. Arianespace utiliza para sus lanzamientos cohetes Ariane, Soyuz (rusos) y el Vega (desarrollado por ESA y ASI, la Agencia Espacial Italiana) este último para lanzar objetos de menor masa. Desde el 15/02/2003, fecha del último lanzamiento del Ariane 4, se ha utilizado el Ariane 5 en sus diversas variantes. En esta oportunidad se utilizó un Ariane 5 ECA+ L5114 ¹), en la misión VA256 (Vol Ariane 256), se trata del vuelo número 256 de los cohetes Ariane de Arianespace. Es el vuelo 112° de un Ariane 5, el 79° de un Ariane 5 ECA y el 7° de un Ariane 5 ECA+. El Ariane 5 ECA+, se distingue porque su propulsor principal es el H173, en lugar del H158; y los dos propulsores de combustible sólido adheridos a la EPC  (Primera Etapa Criogénica), son P241, en lugar de P238. El extremadamente confiable motor Vulcain (utilizado en 223 oportunidades con ésta) es el que se encarga de impulsar la Primera Etapa Criogénica. La fuerza combinada de éste más los dos "boosters" (aumentadores) de combustible sólido adosados a sus costados tiene una fuerza de 13 meganewtons, para que se entienda, la fuerza de una docena de Airbus 380 o Jumbos 747 a su máxima potencia. La etapa superior, también es diferente en la variación ECA, utilizando de forma más convencional, el hidrogeno y oxigeno líquido como combustible. Repitiendo la cantidad de lanzamientos del 2020, este es el tercer lanzamiento de este cohete, estando programados cinco lanzamientos más antes de ser suplantado por el Ariane 6 en desarrollo. El motor de la segunda etapa será en el futuro sustituido por uno en desarrollo llamado Vinci que originalmente se pensó para equipar una etapa llamada BCE para el Ariane 5, pero que finalmente se utilizará para el Ariane 6.

El lanzamiento fue catalogado como COSPAR-ID 2021-130A y SATCAT 50463. El Ariane llevó al JWST a una velocidad de 9,9 km. por segundo, esto es, 35.640 km x hora, ésta es la velocidad necesaria para salir de la gravedad de la Tierra, a una órbita de inserción sumamente elíptica de 315 x 100.000 km x 4°. Luego será empujado al punto Lagrange 2 del sistema Sol-Tierra. Esto le permitirá estar en un punto privilegiado para explorar los confines del universo más allá del planeta Marte, quedando protegido de la radiaciones solares, por tener a sus espaldas a nuestro planeta, con el cual orbitará en conjunción alrededor del Sol. El lanzamiento desde Kourou, tiene la ventaja por estar cercano al ecuador de la Tierra, de aumentar el potencial de la masa que puede ser lanzada (por ejemplo, hasta diez por ciento con respecto al C.E. Kennedy).

Cortesía NASA

El Telescopio Espacial James Webb

El JWST se compone de cuatro elementos:

• OTE   Optical Telescope Element (Elemento Óptico del Telescopio)
• ISIM   Integrated Science Instrument Module (Módulo Integrado de Instrumentos Científicos)
• Sunshield (Escudo protector Solar) (Parasol)
• Spacecraft Bus (Elemento de la nave espacial)

El OTE, es el ojo que enfocará los confines de nuestro universo. Su espejo primario tiene un diámetro de 6,5 metros. Cada uno de los 18 hexágonos tiene 1,32 m de ancho, están construidos de berilio que es un material ideal para este fin, no solamente es liviano y duro, sino que además es no magnético y buen conductor del calor. El Webb, tiene como función trabajar con la gama de onda larga desde el naranja al infrarrojo medio (esto le permitirá observar objetos con desplazamiento al rojo). Para recubrir el Berilio se utilizan 48 gramos de oro, material de alto poder reflectante de esta gama de ondas. El oro refleja hasta el 99% de la luz infrarroja que recibe (4% más que la plata y 10% más que el aluminio). El área  total del espejo es de 25 m². Solo el espejo pesa 705 kilos en superficie, pero se puede subrayar que el Webb en su totalidad pesa casi la mitad de su antecesor Hubble (6.214 kilos contra 11.110 kilos). Su peso sin combustible es de 5.234 kilos.

El ISIM lleva cuatro instrumentos principales: Instrumento de Infrarrojo Medio (MIRI), Cámara de Infrarrojo Cercano (NIRCam), Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano (NIRSpec) y el Fine Guidance Sensor Tunable Filter Image (FGS-TFI).

Debido a su enorme tamaño, para poder ser colocado en la cofia especialmente diseñada a los efectos de transportarlo de forma segura a través de la atmósfera terrestre, debió ser diseñado en forma de que se pudieran plegar sus diferentes partes. Esto demando numerosas y repetitivas pruebas en tierra, para poder evaluar el desempeño de las actividades de despliegue, tratando de imitar las condiciones en que deberían realizarse en el espacio.

La primera jornada 

En su primer día en el espacio, todo ha sucedido según lo planificado. La primera corrección de órbita  (MCC1a) se efectuó a las 12.5 horas del lanzamiento y solo demandó 65 segundos. A las 24 horas el Webb se encontraba a 238.000 km de la tierra y le restaban recorrer más de 1.200.000 km para llegar e insertarse en una órbita halo alrededor de punto L2 del sistema Sol-Tierra. Llevaba por tanto, casi un 16,5% de su trayectoria recorrida y su velocidad, que estaba descendiendo lentamente, se encontraba en 1,727 km x s (unos 6.217 km x hora). Pasado el mediodía de Uruguay (10 am hora EST) del 26/12/2021, comenzó el despliegue del conjunto de antena de cardán (GAA), que incluye la antena parabólica de alta velocidad de datos, que se utilizará para enviar al menos 28,6 Gbytes de datos científicos dos veces al día. Por separado, durante la noche, se habían activado los sensores de temperatura y los instrumentos de precisión para medir los ángulos y posiciones del telescopio (galgas extensométricas).

Actualización: El día 27/12/2021 a las 9:20 de Uruguay (7:20 a.m. EST) comenzó el MCC1b, segundo encendido de corrección de ruta del Webb al punto L2. El mismo duró 9 minutos y 27 segundos. Este día el Telescopio Espacial James Webb superó la distancia a la órbita de la Luna, esto representa la cuarta parte de la distancia a recorrer, pero la velocidad sigue decreciendo luego del envión inicial, por lo cual, su llegada al punto ESL2 se planifica para el 23/01/2022 (a los 29 días del lanzamiento). El vuelo es normal y en las próximas horas se efectuará el despliegue del escudo solar, que está compuesto de 5 capas de kapton, cada una de las cuales tiene el tamaño de una cancha de tenis (21,34 x 14,33 m). Dichas capaz están recubiertas de aluminio para que refleje la reflectancia.²) 

Habrá ahora que esperar seis meses para empezar a recibir los resultados de sus observaciones. Pero si hemos esperado alrededor de 25 años para tenerlo en órbita, seis meses parece muy poco. Vale la pena la espera. Se han tomado todos los recaudos para que todo funcione, pero habrá mucha ansiedad durante las etapas siguientes. Recordemos que el 21/11/2021 hubo ya un pequeño incidente. Todo fue revisado a conciencia en Kourou, pero es claro que el despegue del cohete no puede ser suave. Ahora se comenzarán a desplegar las piezas que debieron colocarse plegadas en la cofia del Ariane 5. Si todo sigue de acuerdo a lo planeado los espejos deberán ser alineados y a  35³) días del lanzamiento se encenderá NIRcam y poco después sabremos si es posible alinear los 18 segmentos que componen el espejo primario. Cuando en el pasado, se detecto un defecto en el espejo del telescopio Hubble, se encontraba a 547 km de la superficie de la Tierra, una distancia accesible para el transbordador espacial y los astronautas en el año 1993, pudieron repararlo, pero ahora el Webb estará inaccesible. Por ese motivo ha pasado por pruebas sin precedentes.

¹)- El cohete Ariane 5 ECA+L5114, estaba reservado para el JWST, siendo adelantado el 24/10/2021 el  lanzamiento del L5115, que sirvió para poner en órbita dos satélites de comunicaciones. El Syracuse 4A, originalmente denominado Comsat NG-1 (Communication par satellite de Nouvelle Génération) y el SES 17.

²)- Las dos cubiertas más exteriores de color purpura-magenta (las que permanecerán orientadas hacia el Sol) también tienen una recubrimiento de silicio. Este material se caracteriza por transmitir más del 95% de las longitudes de onda de la radiación infrarroja.

³)- ¿Porqués se deberán esperar 35 días? La razón es la temperatura, que deberá aproximarse al cero absoluto, la temperatura más baja a la que se puede acercar la materia. Por supuesto, que todo ha sido analizado una y otra vez, tratando de no dejar nada al azar. Todas las tareas han sido programadas hora por hora, día por día. Al desplegar el parasol, comenzara un proceso de enfriamiento pasivo. Los cuatro instrumentos que porta Webb pueden captar su propio brillo infrarrojo. Para reducir esas emisiones, los instrumentos deben estar a muy bajas temperaturas, alrededor de menos 233° Celsius. E incluso para el funcionamiento del MIRI, el Instrumento de Infrarrojo Medio, la temperatura deberá ser menor: -266° Celsius. Aproximadamente 77 días después del lanzamiento, el refrigerador criogénico de MIRI, pasará 19 días bajando la temperatura de los detectores del instrumento hasta menos de 7° Kelvin.

Hay una serie de videos en Youtube sobre los pasos previos al lanzamiento del James Webb detallados en esta entrada: The Webb Telescope Journey to Space Part 1: Packed and Transported to the Ship - YouTube. Para subtítulos en español, pulsar la figura de engranaje de configuración, luego cuando abre la ventanita, pulsar encima de subtítulos, se cambiara la ventana, pulsar en traducir automáticamente y solo resta elegir el idioma.

La misión recién comienza.

Simbología de color del texto