El Telescopio Espacial James Webb (Termina un viaje...)(2)
-Termina un viaje y comienza otro-
Créditos: NASA/Chris Gunn
Ha culminado un viaje de 25 años que llevó al Telescopio Espacial James Webb (JWST) del concepto a la realidad. Comienza ahora un esperanzado largo viaje de exploración que lo llevará a un millón de millas de la Tierra, a un millón y medio de kilómetros en lo físico, pero que lo internará en el tiempo a 13.500 millones de años, a apenas 300 millones del Big Bang, cuando se formaban las primeras estrellas y galaxias. Pero este es solo uno de los objetivos previstos para su observación. También explorará los mundos distantes y nuestro sistema solar más allá del planeta Marte, analizará las atmósferas de éstos para saber sus composiciones químicas y estudiará la formación de estrellas y planetas. También dará a los científicos información sobre los agujeros negros, así como sobre las estrellas supermasivas y como influyen en su entorno. Decíamos que lo internará en el tiempo a 13.500 millones de años, pero por la expansión acelerada del espacio, lo que el Webb podrá observar estará a más de 30.000 millones de años luz de distancia.
"Este es el telescopio más grande, más complejo y retador, jamás construido. Cambiará nuestro entendimiento del universo y de nuestro lugar en él". Begoña Vila (ingeniera Jefa de Sistemas del Telescopio James Webb)
Cortesía: NASA (modificado al español por el autor)
El James Webb es el telescopio espacial más grande, costoso y sensible de la historia. Se dice que es 100 veces más sensible que el Telescopio Espacial Hubble (HST Hubble Space Telescope) que fue colocado en órbita terrestre por la misión número 35 del transbordador espacial norteamericano el día 25/04/1990, hace casi 32 años. El transbordador encargado de la misión, que era la denominada STS-31, fue el "Discovery" que despegó el 24/04/1990 de la plataforma 39B de Cabo Cañaveral, Florida. Esta fue la primera vez desde 1986 que dos transbordadores espaciales estuvieron en sus plataformas de despegue al mismo tiempo. El "Columbia" se encontraba en la plataforma de lanzamiento 39A.
El Telescopio Espacial Webb operará en forma conjunta con el Hubble. Mientras este último opera observando el universo en la luz visible y ultravioleta cercano ¹), el Webb se enfocará en la infrarroja. Debido a la expansión del universo, la luz viajando por el espacio estiró sus longitudes de onda, lo que se denomina "corrimiento al rojo". El JWST se centrará en observar en esas longitudes de onda, que no son visibles al ojo humano. Después de la experiencia del telescopio Spitzer escudriñando el cosmos por 16 años y 5 meses (25/08/2003-30/01/2020) ²), el Webb se hacía necesario en la exploración de ese segmento del espectro.
Esta infografía ilustra el espectro de energía electromagnética, destacando específicamente las porciones detectadas por los telescopios espaciales Hubble, Spitzer y Webb de la NASA. CRÉDITO: NASA y J. Olmsted [STScI].
Cortesía: NASA (Leyendas en español del autor)
El día 25/11/2021, un mes antes del lanzamiento, se dio inicio a un procedimiento que demora casi 10 días, que es el rellenado de los tanques de combustible del vehículo espacial Webb. La conservación de éste, que en principio será utilizado para las correcciones necesarias a los efectos de seguir la ruta planificada, será luego esencial para la duración de la misión una vez situado en la órbita de halo alrededor del punto L2 del sistema Sol-Tierra, ya que el viento solar chocando contra el parasol del Webb tratará de alejarlo del Sol, siendo necesario corregir en algunas oportunidades su posición con algunas maniobras de sus impulsores. Esta carga de combustible se realiza dentro de las instalaciones de carga útil en el Puerto Espacial de Europa, en Kourou, antes de ser llevado el día 7/12/2021 al Edificio de Ensamblaje Final (BAF) (Bâtiment d'Assemblage Final) para ser instalado y alineado perfectamente encima del cohete portador el 11/12/2021 y posteriormente carenado por las dos secciones de la cofia. La encapsulación del Webb se llevo a cabo a última hora del 17/12/2021.
Este gráfico es ilustrativo, no está a escala.
Previo al lanzamiento se efectuaron los chequeos de todos los sistemas por última vez y unos 25 minutos antes se paso al uso de la batería interna del Webb. El MOC, Centro de Operaciones de la Misión se encuentra en Baltimore, Maryland, EE.UU. La sala del centro de lanzamiento principal nombrada "Júpiter" se encuentra a 12 km de la plataforma de lanzamiento en Kourou. Hay además 2 salas más en Kourou, una donde están los ingenieros que siguen la telemetría del lanzador y otra donde se encuentran los ingenieros que supervisan al Webb.
A los siete minutos antes del despegue empieza la secuencia automática, los ordenadores terminan de llenar al máximo los 4 depósitos de combustible líquido de las dos etapas principales y los presurizan a la presión de vuelo. Esta operación termina 3 minutos antes del despegue. De forma sincronizada se ejecutan varios comandos eléctricos. A menos 3 minutos se introduce en el ordenador de a bordo el tiempo exacto del encendido del motor Vulcain 2 del cuerpo central del Ariane. Este motor consume cada segundo 330 kilos de oxigeno e hidrógeno líquido. A menos dos minutos se abren varias válvulas que alimentarán de combustible y comburente al lanzador. En el último minuto el cohete es autónomo, en particular la alimentación eléctrica estará provista por las baterías del lanzador. Una vez encendido el motor Vulcain, transcurrieron 7 segundos de mucha expectativa. Es el tiempo en que se verifica que el encendido ha sido correcto y hacen ignición los dos "boosters" de combustible sólido adosados lateralmente a la etapa principal. Finalmente despegan las 775 toneladas del lanzador. A los 2:20 minutos se separan los "boosters" a 71 km de altura y 86 km de la plataforma, lo que reduce sensiblemente la masa en más de un 70%. Su velocidad en ese momento es de 2:04 km por segundo. A los 3:30 minutos se separan las dos mitades de la cofia a 129 km de altura y 225 km de Kourou con una velocidad de 2,36 km x s. El vulcain le esta aportando una potencia de un Boeing 747 o un Airbus 380 con sus cuatro motores a máxima potencia. El Ariane a abandonado las capaz densas de la atmósfera y ya la cofia protectora no es necesaria. Pero para no sobrecalentarse con la exposición a la radiación solar de un lado que está en dirección del sol, el cohete hará una serie de maniobras rotando de lado a lado. Esta maniobra se ha denominado convenientemente "maniobra barbacoa". A los 7 minutos comienza a tener telemetría el JWST, para comenzar el seguimiento Baltimore. Una vez que el Webb detecta que se ha separado la cofia, empiezan a funcionar una secuencia de comandos automáticamente. Entre ellos el de encendido del transmisor. También deja de hacer el seguimiento Kourou y comienza a hacerlo la estación de Natal, luego le seguirá la isla de Ascención, después lo hará la estación de seguimiento de Libreville en Gabón y la de Malindi en Kenia. sobre los 8:50 se apaga el motor Vulcain 2, se separa a continuación la etapa principal de la segunda, y se enciende el motor de ésta última. Dichas maniobras se realizan en un momento en que la altitud del Ariane empieza a bajar de 234 km a 179 km a los 14 minutos. La finalidad es aprovechar la rotación de la Tierra para darle un impulso extra al lanzador. Mientras el lanzador es seguido por las estaciones de superficie, el Webb tiene seguimiento por la red de satélites cercanos. Luego el Webb pasará a la Red de Espacio Profundo (DSN por Deep Space Network) que es una red de antenas de radio ubicadas en Canberra (Australia), Robledo de Chabela a 60 km de Madrid (España) y Goldstone cerca de Barstow, California (Estados Unidos). Esta última red es la misma utilizada para el programa Apolo. Cerca de los 25 minutos de vuelo se apaga el motor HM-7 de la segunda etapa cuando el lanzador sobrepasaba los 925 km de altura y estaba a 9.170 km de su punto de partida. Era el momento que alcanzaba su máxima velocidad de 9,9 km por segundo (35.640 km por hora) velocidad necesaria para vencer la gravedad de la Tierra. El lanzador sin embargo, todavía tendrá algunas tareas por delante, como por ejemplo orientar a Webb en la dirección correcta, va a dar un giro de unos 180° y va a controlar el giro de los tres ejes, para asegurar que la separación se hace sin ninguna rotación. A los 27:17 minutos el Webb se separa de la 2° etapa del cohete Ariane 5 y comienza otra secuencia de comandos autónomos. Entre ellos abrir el panel solar que esta segmentado en cinco partes y abierto tendrá una extensión de 6 metros. El mismo podrá suministrar unos dos kilowatts, cuando el Webb necesita 1 kw para trabajar y tiene una batería que le permite operar por 7 horas. A los 29 minutos comienza el despliega del panel solar y el control de Baltimore confirma que está en funcionamiento. Por cuestiones de peso el panel hubo que reducirlo de tamaño, pero alimenta con poco más de 2 kw de potencia una batería de 52.8 amperios-hora. Esta maniobra estaba prevista para efectuarse a los 33 minutos del lanzamiento, pero dada la exactitud de la colocación en curso del Ariane 5, detectadas por Webb las condiciones necesarias para el despliegue, el mismo se realizó anticipadamente a los 29 minutos. Esta misma exactitud se tradujo que en las dos maniobras iniciales de corrección de curso, en las cuales se utilizó menos combustible del estimado previamente, tuvieran como consecuencia derivada una previsible extensión de servicio del telescopio.
Momento en el que el Telescopio Espacial James Webb comenzaba su viaje de manera autónoma en el espacio. Image Credit: NASA TV La filmación de esta cámara colocada en la segunda etapa del Ariane capta segundos antes la separación del Webb y segundos después el despliegue del panel solar.
La estación de Malindi (MAL-1), en Kenia, es la última en rastrear al Webb antes de ser sucedida por la Red de Espacio Profundo. La misma, es operada por la agencia espacial italiana ASI y posee dos antenas. Con una de ella hace seguimiento de Webb y con la otra del lanzador. Ahora, lo que resta de la misión de la segunda etapa del Ariane es girar y alejarse lo antes posible del Webb, con la finalidad de que no haya ninguna posibilidad de colisionar.
El Webb, como ya dijimos, lleva su propio combustible y comburente, éstos le servirán para que con sus pequeños propulsores ajuste su ruta a la órbita de halo alrededor del punto L2. Estas maniobras para la corrección de la trayectoria están planificadas a las 12,5 horas y a las 2,5 días después del lanzamiento y una tercera se realizará a los 30 días. Las dos primeras maniobras hicieron uso de menos combustible de lo que se había pensado, por la exactitud con que va encaminado el telescopio hacia su destino final. Por esta razón, se es optimista en que Webb quedará con el suficiente combustible como para permanecer un largo tiempo en el punto L2. El telescopio originalmente tenia sus componentes planificados para una vida útil de 5 años, pero luego éstos se optimizaron para 10 años. Con el suficiente combustible, como para hacer las maniobras de corrección para permanecer estable en la órbita asignada, se piensa ahora que podrá estar en servicio 18 o 19 años. Esas pequeñas maniobras necesarias para contrarrestar la presión del viento solar sobre el parasol del Webb y los momentos angulares superpuestos derivados de los distintos objetos a que apunta el telescopio, se denominan "mantenimiento de estaciones" y es un segundo conjunto de propulsores las que las realiza. El James Webb tiene un total de 12 propulsores, los que se alimentan con 168 kg (369 libras) de combustible de hidracina y 133 kg (292 libras) de oxidante de tetróxido de dinitrógeno. Mientras que la mezcla será utilizada para las correcciones de ruta y las de mantenimiento de la órbita en L2, para los pequeños motores de reacción monopropelente de precisión que se utilizan para el reapuntamiento solo se utiliza hidracina. Estas últimas maniobras, se hallan limitadas a 5° y 45° para no exponer la óptica y los instrumentos a la radiación que es protegida por el escudo solar.
Diagrama fuera de escala. Cortesía NASA
A las 12:50 se encienden por 65 segundos los propulsores para hacer la primera corrección (MCC1a) de las tres planificadas, estas se prevén para no dar un sobreempuje, por lo cual el cohete Ariane 5 solo le dio un empuje limitado. Lo sensible y delicado de los instrumentos a bordo no permiten que la nave pueda hacer una corrección para no pasarse de impulso haciendo un giro ya que por una evaluación de peso y complejidad la misma no posee retrocohetes. Peor aún, cuando los instrumentos no están protegidos todavía por el parasol. El telescopio debe estar siempre de espaldas al sol, con un ángulo máximo de 20° para evitar el sobrecalentamiento. "Después de este, ningún hito clave es crítico en el tiempo pudiendo cambiar, por lo que el orden, la ubicación, el momento y la duración de las implementaciones pueden cambiar" dice la NASA. Estas implementaciones ya no son efectuadas por comandos automáticos, sino que se está controlada desde tierra. El 27/12/2021 a las 60 horas de lanzamiento se efectúa la segunda corrección de ruta, con un encendido de 9:27 minutos.
Optimismo: Debido al poco consumo de combustible utilizado en las dos maniobras de corrección de vuelo realizadas, hay optimismo en que Webb pueda estar muchos años en la órbita asignada. El último resto de éste se utilizará para apartarlo del punto de libración L2, para que el mismo pueda se usado por otras misiones en el futuro.
¹)- Del 11 al 21/02/1997, la 22° misión del transbordador "Discovery", la 82° de un transbordador de los Estados Unidos (STS-82) (Space Transport System-82), la segunda misión de servicio (SM-2) al HST, le dotó de la capacidad de observar en infrarrojo cercano (entre 0,8 y 2,4 micrómetros) (el micrómetro o micra es la milésima parte de 1 mm) (el JWST observará el cielo en la zona del espectro de entre 0,6 y 28,5 micrómetros). En esta misión de 10 días, no solamente se repararon y actualizaron los instrumentos científicos del Hubble, sino que además se elevó su órbita, lo que resultó en que el "Discovery" alcanzara la altitud máxima jamás lograda por un orbitador STS, 620 km. (unas 335 millas náuticas). El encargado de ampliarle la capacidad de observación del infrarrojo al HST, fue el NICMOS, cámara de infrarrojo cercano y espectrómetro de objetos múltiples. El sistema de refrigeración del mismo no funcionó adecuadamente. En parte su labor fue incorporada por la cámara de campo amplio 3 (WFC3) instalado por la misión STS-125 (vuelo número 30 del transbordador "Atlantis") en 2009.
2)- Originalmente el Telescopio Espacial Spitzer estaba previsto para una vida útil de tan solo de 2,5 a 5 años, pues como el caso de otros telescopios espaciales infrarrojos anteriores la misma dependía de la tasa de evaporación del helio líquido que se utilizaba como refrigerante. Finalmente el helio se agotó el 15/05/2009, habiendo durado 5,5 años. En ese momento quedo funcionando únicamente a mitad de sus posibilidades uno de sus tres instrumentos, el que estaba diseñado para captar cuatro longitudes de onda infrarroja y todavía estaba en condiciones de detectar dos de ellas. El Telescopio Espacial Spitzer (SST conocido anteriormente como SIRTF por sus siglas en inglés) fue el cuarto y último de los "Grandes Observatorios de la Nasa". Los tres anteriores fueron HST, el observatorio de rayos gamma Compton (CGRO por Compton Gamma Ray Observatory) y el observatorio Chandra de rayos X (CXO, Chandra X-ray Observatory). El Compton sufrió la falla de uno de sus giroscopios y por decisión de la NASA fue incinerado en la atmósfera el 4/06/2000. El espejo principal del Spitzer es de berilio, sirviendo de antecedente tecnológico para fabricar el del James Webb. Otro aporte del telescopio Spitzer a Webb a sido la experiencia en el modelo térmico de su carcaza. El Spitzer fue desactivado el 30/01/2020, después de 16 años y 5 meses de servicio.
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