Aunque el diámetro del espejo del Webb es 2,7 veces mayor que el del telescopio espacial Hubble, produce imágenes de una nitidez comparable porque observa en el espectro infrarrojo de longitud de onda más larga. Cuanto mayor sea la longitud de onda del espectro, mayor será la superficie de recolección de información necesaria (espejos en el espectro infrarrojo o área de antena en los rangos milimétrico y de radio) para obtener una imagen comparable en claridad al espectro visible del telescopio espacial Hubble.
El Webb fue lanzado el 25 de diciembre de 2021 a bordo de un cohete Ariane 5 desde Kourou (Guayana Francesa). En enero de 2022 llegó a su destino, una órbita solar cercana al punto de Lagrange L 2 entre el Sol y la Tierra , a unos 1,5 millones de kilómetros (930.000 millas) de la Tierra. La primera imagen del telescopio se hizo pública el 11 de julio de 2022. [13]
El espejo primario del Webb consta de 18 segmentos hexagonales de berilio bañado en oro , que juntos crean un espejo de 6,5 metros de diámetro (21 pies), en comparación con los 2,4 m del Hubble (7 pies 10 pulgadas). Esto le da al Webb un área de recolección de luz de aproximadamente 25 m2 ( 270 pies cuadrados), aproximadamente seis veces la del Hubble. A diferencia del Hubble, que observa en los espectros ultravioleta cercano y visible (0,1 a 0,8 μm ) e infrarrojo cercano (0,8–2,5 μm) [14] , el Webb observa un rango de frecuencia más bajo, desde la luz visible de longitud de onda larga (roja) hasta el infrarrojo medio (0,6–28,3 μm). El telescopio debe mantenerse extremadamente frío, por debajo de 50 K (−223 °C; −370 °F), para que la luz infrarroja emitida por el propio telescopio no interfiera con la luz recolectada. Su parasol de cinco capas lo protege del calentamiento causado por el Sol, la Tierra y la Luna.
Los diseños iniciales del telescopio, que entonces se denominaba Next Generation Space Telescope, comenzaron en 1996. En 1999 se encargaron dos estudios conceptuales para un posible lanzamiento en 2007 y un presupuesto de 1.000 millones de dólares. El programa estuvo plagado de enormes sobrecostos y retrasos. En 2005 se llevó a cabo un importante rediseño y la construcción se completó en 2016, seguido de años de pruebas exhaustivas, con un coste total de 10.000 millones de dólares.
Características
La masa del telescopio espacial James Webb (JWST) es aproximadamente la mitad de la del telescopio espacial Hubble . El Webb tiene un espejo primario de berilio recubierto de oro de 6,5 m (21 pies) de diámetro compuesto por 18 espejos hexagonales separados. El espejo tiene un área pulida de 26,3 m 2 (283 pies cuadrados), de los cuales 0,9 m 2 (9,7 pies cuadrados) están oscurecidos por los puntales de soporte secundarios, [15] dando un área de recolección total de 25,4 m 2 (273 pies cuadrados). Esto es más de seis veces más grande que el área de recolección del espejo de 2,4 m (7,9 pies) de diámetro del Hubble, que tiene un área de recolección de 4,0 m 2 (43 pies cuadrados). El espejo tiene un revestimiento de oro para proporcionar reflectividad infrarroja y está cubierto por una fina capa de vidrio para mayor durabilidad. [16]
Webb está diseñado principalmente para la astronomía del infrarrojo cercano , pero también puede ver luz visible naranja y roja, así como la región del infrarrojo medio, dependiendo del instrumento que se use. [10] [11] Puede detectar objetos hasta 100 veces más débiles que el Hubble, y objetos mucho más tempranos en la historia del universo , hasta el corrimiento al rojo z≈20 (alrededor de 180 millones de años de tiempo cósmico después del Big Bang ). [17] A modo de comparación, se cree que las primeras estrellas se formaron entre z≈30 y z≈20 (100-180 millones de años de tiempo cósmico), [18] y las primeras galaxias pueden haberse formado alrededor del corrimiento al rojo z≈15 (alrededor de 270 millones de años de tiempo cósmico). El Hubble no puede ver más atrás que la reionización muy temprana [19] [20] en aproximadamente z≈11.1 (galaxia GN-z11 , 400 millones de años de tiempo cósmico). [21] [22] [17]
El diseño enfatiza el infrarrojo cercano y medio por varias razones:
Los objetos de alto corrimiento al rojo (muy tempranos y distantes) tienen sus emisiones visibles desplazadas hacia el infrarrojo y, por lo tanto, su luz solo puede observarse mediante astronomía infrarroja ; [14]
La luz infrarroja pasa más fácilmente a través de las nubes de polvo que la luz visible; [14]
Los objetos más fríos, como los discos de escombros y los planetas, emiten con mayor intensidad en el infrarrojo;
Estas bandas infrarrojas son difíciles de estudiar desde la Tierra o con los telescopios espaciales existentes como el Hubble.
Los telescopios terrestres deben observar a través de la atmósfera de la Tierra , que es opaca en muchas bandas infrarrojas (véase la figura de la derecha). Incluso donde la atmósfera es transparente, muchos de los compuestos químicos objetivo, como el agua, el dióxido de carbono y el metano, también existen en la atmósfera de la Tierra, lo que complica enormemente el análisis. Los telescopios espaciales existentes, como el Hubble, no pueden estudiar estas bandas porque sus espejos no son lo suficientemente fríos (el espejo del Hubble se mantiene a unos 15 °C [288 K; 59 °F]), lo que significa que el propio telescopio irradia intensamente en las bandas infrarrojas relevantes. [23]
Webb opera en una órbita de halo , girando alrededor de un punto en el espacio conocido como el punto de Lagrange Sol-Tierra L 2 , aproximadamente 1.500.000 km (930.000 mi) más allá de la órbita de la Tierra alrededor del Sol. Su posición real varía entre aproximadamente 250.000 y 832.000 km (155.000–517.000 mi) de L 2 mientras orbita, manteniéndolo fuera de la sombra de la Tierra y la Luna. A modo de comparación, el Hubble orbita a 550 km (340 mi) sobre la superficie de la Tierra, y la Luna está aproximadamente a 400.000 km (250.000 mi) de la Tierra. Los objetos cerca de este punto Sol-Tierra L 2 pueden orbitar el Sol en sincronía con la Tierra, lo que permite que el telescopio permanezca a una distancia aproximadamente constante [28] con una orientación continua de su parasol y barra de equipo hacia el Sol , la Tierra y la Luna . En combinación con su amplia órbita que evita las sombras, el telescopio puede bloquear simultáneamente el calor y la luz entrantes de estos tres cuerpos y evitar incluso los cambios más pequeños de temperatura de las sombras de la Tierra y la Luna que afectarían a la estructura, y al mismo tiempo mantener la energía solar y las comunicaciones terrestres ininterrumpidas en su lado orientado hacia el Sol. Esta disposición mantiene la temperatura de la nave espacial constante y por debajo de los 50 K (−223 °C; −370 °F) necesarios para las observaciones infrarrojas débiles. [29] [30]
Protección solar
Unidad de prueba del parasol apilada y expandida en las instalaciones de Northrop Grumman en California, 2014
Para realizar observaciones en el espectro infrarrojo , el Webb debe mantenerse por debajo de los 50 K (−223,2 °C; −369,7 °F); de lo contrario, la radiación infrarroja del propio telescopio abrumaría a sus instrumentos. Su gran parasol bloquea la luz y el calor del Sol, la Tierra y la Luna, y su posición cerca del punto L 2 entre el Sol y la Tierra mantiene a los tres cuerpos en el mismo lado de la nave espacial en todo momento. [31] Su órbita de halo alrededor del punto L 2 evita la sombra de la Tierra y la Luna, manteniendo un entorno constante para el parasol y los paneles solares. [28] La temperatura estable resultante para las estructuras en el lado oscuro es fundamental para mantener la alineación precisa de los segmentos del espejo primario. [29]
El parasol consta de cinco capas, cada una de ellas aproximadamente tan fina como un cabello humano. [32] Cada capa está hecha de película de Kapton E , recubierta de aluminio en ambos lados. Las dos capas más externas tienen una capa adicional de silicio dopado en los lados que miran hacia el Sol, para reflejar mejor el calor del Sol de regreso al espacio. [29] Los desgarros accidentales de la delicada estructura de la película durante las pruebas de despliegue en 2018 provocaron más retrasos en el despliegue del telescopio. [33]
El parasol fue diseñado para ser plegado doce veces de modo que pudiera caber dentro del carenado de carga útil del cohete Ariane 5 , que tiene 4,57 m (15,0 pies) de diámetro y 16,19 m (53,1 pies) de largo. Las dimensiones del escudo completamente desplegado fueron planificadas como 14,162 m × 21,197 m (46,46 pies × 69,54 pies). [34]
Mantenerse dentro de la sombra del parasol limita el campo de visión del Webb en un momento dado. El telescopio puede ver el 40 por ciento del cielo desde cualquier posición, pero puede ver todo el cielo durante un período de seis meses. [35]
El espejo primario del Webb es un reflector de berilio recubierto de oro de 6,5 m (21 pies) de diámetro con un área colectora de 25,4 m 2 (273 pies cuadrados). Si se hubiera diseñado como un único espejo grande, habría sido demasiado grande para los vehículos de lanzamiento existentes. Por lo tanto, el espejo está compuesto por 18 segmentos hexagonales (una técnica iniciada por Guido Horn d'Arturo ), que se desplegaron después del lanzamiento del telescopio. La detección del frente de onda del plano de la imagen a través de la recuperación de fase se utiliza para colocar los segmentos del espejo en la ubicación correcta utilizando actuadores precisos . Posteriormente a esta configuración inicial, solo necesitan actualizaciones ocasionales cada pocos días para mantener el enfoque óptimo. [36] Esto es diferente a los telescopios terrestres, por ejemplo, los telescopios Keck , que ajustan continuamente sus segmentos de espejo utilizando óptica activa para superar los efectos de la carga gravitacional y del viento. [37] El telescopio Webb utiliza 132 pequeños motores de actuación para posicionar y ajustar la óptica. [38] Los actuadores pueden posicionar el espejo con una precisión de 10 nanómetros . [39]
El diseño óptico de Webb es un anastigmat de tres espejos , [40] que hace uso de espejos secundarios y terciarios curvados para ofrecer imágenes libres de aberraciones ópticas en un campo amplio. El espejo secundario tiene 0,74 m (2,4 pies) de diámetro. Además, hay un espejo de dirección fino que puede ajustar su posición muchas veces por segundo para proporcionar estabilización de la imagen . Las fotografías tomadas por Webb tienen seis picos más dos más tenues debido a la araña que sostiene el espejo secundario. [41]
Instrumentos científicos
NIRCam concluyó en 2013El conjunto de calibración, un componente del instrumento NIRSpecMIRI
El módulo de instrumentos científicos integrados (ISIM) es un armazón que proporciona energía eléctrica, recursos informáticos, capacidad de refrigeración y estabilidad estructural al telescopio Webb. Está fabricado con un compuesto de grafito y epoxi adherido a la parte inferior de la estructura del telescopio Webb. El ISIM contiene los cuatro instrumentos científicos y una cámara guía. [42]
NIRCam (Near Infrared Camera) es un generador de imágenes infrarrojas que tiene una cobertura espectral que va desde el borde del visible (0,6 μm) hasta el infrarrojo cercano (5 μm). [43] [44] Hay 10 sensores, cada uno de 4 megapíxeles. NIRCam sirve como sensor de frente de onda del observatorio, que es necesario para las actividades de detección y control del frente de onda, y se utiliza para alinear y enfocar los segmentos principales del espejo. NIRCam fue construido por un equipo dirigido por la Universidad de Arizona , con la investigadora principal Marcia J. Rieke . [45]
El NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) realiza espectroscopia en el mismo rango de longitudes de onda. Fue construido por la Agencia Espacial Europea (ESA) en ESTEC en Noordwijk , Países Bajos. El equipo de desarrollo líder incluye miembros de Airbus Defence and Space , Ottobrunn y Friedrichshafen, Alemania, y el Goddard Space Flight Center ; con Pierre Ferruit ( École normale supérieure de Lyon ) como científico del proyecto NIRSpec. El diseño del NIRSpec proporciona tres modos de observación: un modo de baja resolución que utiliza un prisma, un modo multiobjeto R~1000 y un modo de espectroscopia de rendija larga o unidad de campo integral R~2700. El cambio de modos se realiza operando un mecanismo de preselección de longitud de onda llamado el conjunto de rueda de filtro y seleccionando un elemento dispersivo correspondiente (prisma o rejilla) utilizando el mecanismo del conjunto de rueda de rejilla. Ambos mecanismos se basan en los exitosos mecanismos de rueda ISOPHOT del Observatorio Espacial Infrarrojo . El modo multiobjeto se basa en un complejo mecanismo de microobturador que permite la observación simultánea de cientos de objetos individuales en cualquier parte del campo de visión del NIRSpec. Hay dos sensores, cada uno de 4 megapíxeles. [46]
El MIRI (Mid-Infrared Instrument) mide el rango de longitud de onda del infrarrojo medio a largo, de 5 a 27 μm. [47] [48] Contiene una cámara de infrarrojo medio y un espectrómetro de imágenes . [49] El MIRI fue desarrollado como una colaboración entre la NASA y un consorcio de países europeos, y está dirigido por George Rieke (Universidad de Arizona) y Gillian Wright ( Centro de Tecnología Astronómica del Reino Unido , Edimburgo , Escocia). [45] La temperatura del MIRI no debe superar los 6 K (−267 °C; −449 °F): un enfriador mecánico de gas helio ubicado en el lado cálido del escudo ambiental proporciona este enfriamiento. [50]
El FGS/NIRISS (Sensor de guía fina y generador de imágenes de infrarrojo cercano y espectrógrafo sin rendija), dirigido por la Agencia Espacial Canadiense (CSA) bajo la dirección del científico del proyecto John Hutchings ( Centro de Investigación Astronómica y Astrofísica Herzberg ), se utiliza para estabilizar la línea de visión del observatorio durante las observaciones científicas. Las mediciones del FGS se utilizan tanto para controlar la orientación general de la nave espacial como para accionar el espejo de dirección fina para la estabilización de la imagen. La CSA también proporcionó un módulo de generador de imágenes de infrarrojo cercano y espectrógrafo sin rendija (NIRISS) para imágenes astronómicas y espectroscopia en el rango de longitud de onda de 0,8 a 5 μm, dirigido por el investigador principal René Doyon [51] en la Université de Montréal . [45] Aunque a menudo se los denomina juntos como una unidad, el NIRISS y el FGS sirven para propósitos completamente diferentes, ya que uno es un instrumento científico y el otro es parte de la infraestructura de soporte del observatorio. [52]
Diagrama del bus de la nave espacial . El panel solar está en verde y los paneles violeta claro son radiadores.
El bus de la nave espacial es el componente de soporte principal del JWST, que alberga una multitud de componentes informáticos, de comunicación, de energía eléctrica, de propulsión y estructurales. [53] Junto con el parasol, forma el elemento de nave espacial del telescopio espacial . [54] [55] El bus de la nave espacial está en el lado "cálido" del parasol que mira hacia el Sol y funciona a una temperatura de aproximadamente 300 K (27 °C; 80 °F). [54]
La estructura del bus de la nave espacial tiene una masa de 350 kg (770 lb) y debe soportar el telescopio espacial de 6200 kg (13 700 lb). Está hecho principalmente de material compuesto de grafito. [56] El ensamblaje se completó en California en 2015. Se integró con el resto del telescopio espacial antes de su lanzamiento en 2021. El bus de la nave espacial puede girar el telescopio con una precisión de apuntamiento de un segundo de arco y aísla la vibración a dos milisegundos de arco. [57]
Webb tiene dos pares de motores de cohete (un par por redundancia) para hacer correcciones de rumbo en el camino a L 2 y para mantener la posición correcta en la órbita del halo. Se utilizan ocho propulsores más pequeños para el control de actitud (la orientación correcta de la nave espacial). [58] Los motores utilizan combustible de hidracina (159 litros o 42 galones estadounidenses en el lanzamiento) y tetróxido de dinitrógeno como oxidante (79,5 litros o 21,0 galones estadounidenses en el lanzamiento). [59]
Servicio
El Webb no está pensado para recibir servicio en el espacio. Una misión tripulada para reparar o mejorar el observatorio, como se hizo con el Hubble, no sería posible, [60] y según el administrador asociado de la NASA, Thomas Zurbuchen , a pesar de los mejores esfuerzos, se descubrió que una misión remota sin tripulación estaba más allá de la tecnología disponible en el momento en que se diseñó el Webb. [61] Durante el largo período de prueba del Webb, los funcionarios de la NASA se refirieron a la idea de una misión de servicio, pero no se anunció ningún plan. [62] [63] Desde el exitoso lanzamiento, la NASA ha declarado que, no obstante, se realizaron adaptaciones limitadas para facilitar futuras misiones de servicio. Estas adaptaciones incluyeron marcadores de guía precisos en forma de cruces en la superficie del Webb, para su uso en misiones de servicio remoto, así como tanques de combustible rellenables, protectores térmicos extraíbles y puntos de sujeción accesibles. [64] [61]
Software
Ilana Dashevsky y Vicki Balzano escriben que Webb utiliza una versión modificada de JavaScript , llamada Nombas ScriptEase 5.00e, para sus operaciones; sigue el estándar ECMAScript y "permite un flujo de diseño modular, donde los scripts integrados llaman a scripts de nivel inferior que se definen como funciones". "Las operaciones científicas del JWST serán impulsadas por scripts integrados ASCII (en lugar de bloques de comandos binarios), escritos en una versión personalizada de JavaScript. El intérprete de scripts lo ejecuta el software de vuelo, que está escrito en el lenguaje de programación C++ . El software de vuelo opera la nave espacial y los instrumentos científicos". [65] [66]
Comparación con otros telescopios
Comparación con el espejo primario del telescopio espacial HubbleComparación del tamaño del espejo primario entre el Webb y el Hubble
El deseo de contar con un gran telescopio espacial infrarrojo se remonta a décadas atrás. En Estados Unidos, mientras se desarrollaba el transbordador espacial, se planificó la construcción del Space Infrared Telescope Facility (posteriormente llamado Spitzer Space Telescope ), y en ese momento se reconoció el potencial de la astronomía infrarroja. [67] A diferencia de los telescopios terrestres, los observatorios espaciales están libres de la absorción atmosférica de luz infrarroja. Los observatorios espaciales abrieron un "cielo nuevo" para los astrónomos.
Sin embargo, el diseño de telescopios infrarrojos implica un desafío: deben permanecer extremadamente fríos, y cuanto más larga sea la longitud de onda de los infrarrojos, más fríos deben ser. De lo contrario, el calor de fondo del propio dispositivo abruma a los detectores, volviéndolos prácticamente ciegos. Esto se puede superar con un diseño cuidadoso. Un método es colocar los instrumentos clave en un recipiente termo con una sustancia extremadamente fría, como helio líquido . El refrigerante se vaporizará lentamente, lo que limitará la vida útil del instrumento de tan solo unos meses a unos pocos años como máximo. [23]
Los retrasos y los aumentos de costes del Webb se han comparado con los de su predecesor, el telescopio espacial Hubble . Cuando el Hubble comenzó a funcionar formalmente en 1972, su coste de desarrollo se estimó en 300 millones de dólares (equivalentes a 2.185.203.000 dólares en 2023), pero cuando se puso en órbita en 1990, el coste era aproximadamente cuatro veces superior. Además, los nuevos instrumentos y las misiones de mantenimiento aumentaron el coste a al menos 9.000 millones de dólares en 2006 [72] (equivalentes a 13.602.509.000 dólares en 2023).
Historial de desarrollo
Antecedentes (desarrollo hasta 2003)
Las discusiones sobre un sucesor del Hubble comenzaron en la década de 1980, pero la planificación seria comenzó a principios de la década de 1990. [75] El concepto del telescopio Hi-Z se desarrolló entre 1989 y 1994: [76] un telescopio infrarrojo de apertura de 4 m (13 pies) completamente deflector que retrocedería a una órbita a 3 unidades astronómicas (UA). [77] Esta órbita distante se habría beneficiado de un ruido de luz reducido del polvo zodiacal . [77] Otros planes iniciales exigían una misión del telescopio precursor NEXUS. [78] [79]
La corrección de la óptica defectuosa del telescopio espacial Hubble (HST) en sus primeros años jugó un papel importante en el nacimiento de Webb. [80] En 1993, la NASA llevó a cabo STS-61 , la misión del transbordador espacial que reemplazó la cámara del HST e instaló una actualización para su espectrógrafo de imágenes para compensar la aberración esférica en su espejo primario .
El Comité del HST & Beyond se formó en 1994 "para estudiar posibles misiones y programas de astronomía óptica-ultravioleta en el espacio durante las primeras décadas del siglo XXI". [81] Envalentonado por el éxito del HST, su informe de 1996 exploró el concepto de un telescopio más grande y mucho más frío, sensible a los rayos infrarrojos, que pudiera remontarse en el tiempo cósmico al nacimiento de las primeras galaxias. Este objetivo científico de alta prioridad estaba más allá de la capacidad del HST porque, como telescopio caliente, está cegado por la emisión infrarroja de su propio sistema óptico. Además de las recomendaciones de extender la misión del HST hasta 2005 y desarrollar tecnologías para encontrar planetas alrededor de otras estrellas, la NASA adoptó la recomendación principal del HST & Beyond [82] de un telescopio espacial grande y frío (enfriado radiativamente muy por debajo de 0 °C), y comenzó el proceso de planificación para el futuro telescopio Webb.
La preparación para la Encuesta Decenal de Astronomía y Astrofísica de 2000 (una revisión de la literatura producida por el Consejo Nacional de Investigación de los Estados Unidos que incluye la identificación de prioridades de investigación y la formulación de recomendaciones para la próxima década) incluyó un mayor desarrollo del programa científico para lo que se conocería como el Telescopio Espacial de Próxima Generación [83] y avances en tecnologías relevantes por parte de la NASA. A medida que maduró, el estudio del nacimiento de las galaxias en el universo joven y la búsqueda de planetas alrededor de otras estrellas - los objetivos principales se fusionaron a medida que "Origins" de HST & Beyond se volvió prominente.
Como se esperaba, el NGST recibió la clasificación más alta en la Encuesta Decenal de 2000. [84]
Un administrador de la NASA , Dan Goldin , acuñó la frase " más rápido, mejor, más barato ", y optó por el siguiente gran cambio de paradigma para la astronomía, es decir, romper la barrera del espejo único. Eso significaba pasar de "eliminar partes móviles" a "aprender a vivir con partes móviles" (es decir, óptica segmentada). Con el objetivo de reducir diez veces la densidad de masa, primero se estudió el carburo de silicio con una capa muy fina de vidrio encima, pero finalmente se optó por el berilio . [75]
La era de mediados de los años 1990 de "más rápido, mejor, más barato" produjo el concepto NGST, con una apertura de 8 m (26 pies) para volar a L 2 , con un costo estimado aproximado de 500 millones de dólares estadounidenses. [85] En 1997, la NASA trabajó con el Goddard Space Flight Center, [86] Ball Aerospace & Technologies , [87] y TRW [88] para realizar estudios de requisitos técnicos y costos de los tres conceptos diferentes, y en 1999 seleccionó a Lockheed Martin [89] y TRW para estudios conceptuales preliminares. [90] El lanzamiento estaba planeado en ese momento para 2007, pero la fecha de lanzamiento se retrasó muchas veces (ver tabla más abajo).
En 2002, el proyecto cambió su nombre a James E. Webb (1906-1992), el segundo administrador de la NASA (1961-1968). [91] Webb dirigió la agencia durante el programa Apolo y estableció la investigación científica como una actividad central de la NASA. [92]
En 2003, la NASA le otorgó a TRW el contrato principal por 824,8 millones de dólares para el Webb. El diseño preveía un espejo primario de 6,1 m (20 pies) sin telescopio y una fecha de lanzamiento para 2010. [93] Más tarde ese año, TRW fue adquirida por Northrop Grumman en una oferta hostil y se convirtió en Northrop Grumman Space Technology. [90]
El desarrollo estuvo a cargo del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, con John C. Mather como científico del proyecto. El contratista principal fue Northrop Grumman Aerospace Systems, responsable del desarrollo y la construcción del elemento de la nave espacial, que incluía el bus del satélite , el parasol, el ensamblaje de la torre desplegable (DTA) que conecta el elemento del telescopio óptico al bus de la nave espacial y el ensamblaje del brazo intermedio (MBA) que ayuda a desplegar los grandes parasoles en órbita, [94] mientras que Ball Aerospace & Technologies fue subcontratada para desarrollar y construir el propio OTE y el módulo de instrumentos científicos integrados (ISIM). [42]
El aumento de los costes que se reveló en la primavera de 2005 dio lugar a una nueva planificación en agosto de 2005. [95] Los principales resultados técnicos de la nueva planificación fueron cambios significativos en los planes de integración y prueba, un retraso de 22 meses en el lanzamiento (de 2011 a 2013) y la eliminación de las pruebas a nivel de sistema para los modos de observatorio en longitudes de onda inferiores a 1,7 μm. Otras características importantes del observatorio no sufrieron cambios. Tras la nueva planificación, el proyecto fue revisado de forma independiente en abril de 2006. [ cita requerida ]
En el nuevo plan de 2005, el coste del ciclo de vida del proyecto se estimó en 4.500 millones de dólares estadounidenses, de los cuales 3.500 millones se destinaron al diseño, desarrollo, lanzamiento y puesta en servicio, y aproximadamente 1.000 millones de dólares estadounidenses a diez años de operaciones. [95] La ESA acordó en 2004 contribuir con unos 300 millones de euros, incluido el lanzamiento. [96] La CSA prometió 39 millones de dólares canadienses en 2007 [97] y en 2012 entregó sus contribuciones en equipos para apuntar el telescopio y detectar las condiciones atmosféricas en planetas distantes. [98]
Diseño detallado y construcción (2007-2021)
En enero de 2007, nueve de los diez elementos de desarrollo tecnológico del proyecto superaron con éxito una revisión no oficial. [99] Se consideró que estas tecnologías estaban lo suficientemente maduras como para eliminar riesgos significativos del proyecto. El elemento de desarrollo tecnológico restante (el crioenfriador MIRI ) completó su hito de maduración tecnológica en abril de 2007. Esta revisión tecnológica representó el paso inicial en el proceso que finalmente llevó al proyecto a su fase de diseño detallado (Fase C). En mayo de 2007, los costos todavía estaban dentro del objetivo. [100] En marzo de 2008, el proyecto completó con éxito su Revisión de Diseño Preliminar (PDR). En abril de 2008, el proyecto aprobó la Revisión No Oficial. Otras revisiones aprobadas incluyen la revisión del Módulo de Instrumento Científico Integrado en marzo de 2009, la revisión del Elemento del Telescopio Óptico completada en octubre de 2009 y la revisión del Parasol completada en enero de 2010. [101]
En abril de 2010, el telescopio pasó la parte técnica de su Revisión de Diseño Crítico de Misión (MCDR, por sus siglas en inglés). La aprobación de la MCDR significó que el observatorio integrado puede cumplir con todos los requisitos científicos y de ingeniería para su misión. [102] La MCDR abarcó todas las revisiones de diseño anteriores. El cronograma del proyecto se revisó durante los meses posteriores a la MCDR, en un proceso llamado Panel de Revisión Integral Independiente, que condujo a una nueva planificación de la misión con el objetivo de un lanzamiento en 2015, pero tan tarde como 2018. Para 2010, los sobrecostos estaban afectando a otros proyectos, aunque el propio Webb se mantuvo dentro del cronograma. [103]
En 2011, el proyecto Webb estaba en la fase final de diseño y fabricación (Fase C).
El montaje de los segmentos hexagonales del espejo primario, que se realizó mediante un brazo robótico, comenzó en noviembre de 2015 y se completó el 3 de febrero de 2016. El espejo secundario se instaló el 3 de marzo de 2016. [104] [105] La construcción final del telescopio Webb se completó en noviembre de 2016, después de lo cual comenzaron los procedimientos de prueba exhaustivos. [106]
En marzo de 2018, la NASA retrasó el lanzamiento del Webb dos años más hasta mayo de 2020 después de que el parasol del telescopio se rompiera durante un despliegue de práctica y los cables del parasol no se apretaran lo suficiente. En junio de 2018, la NASA retrasó el lanzamiento 10 meses más hasta marzo de 2021, según la evaluación de la junta de revisión independiente convocada después del fallido despliegue de prueba de marzo de 2018. [107] La revisión identificó que el lanzamiento y el despliegue del Webb tuvieron 344 posibles fallas de un solo punto : tareas que no tenían alternativas o medios de recuperación si no tenían éxito y, por lo tanto, tenían que tener éxito para que el telescopio funcionara. [108] En agosto de 2019, se completó la integración mecánica del telescopio, algo que estaba programado para hacerse 12 años antes en 2007. [109]
Una vez finalizada la construcción, Webb se sometió a pruebas finales en el histórico Space Park de Northrop Grumman en Redondo Beach, California. [110] Un barco que transportaba el telescopio partió de California el 26 de septiembre de 2021, pasó por el Canal de Panamá y llegó a la Guayana Francesa el 12 de octubre de 2021. [111]
Problemas de costos y cronograma
Se espera que el costo de vida útil del proyecto para la NASA sea de 9.700 millones de dólares, de los cuales 8.800 millones se gastaron en el diseño y desarrollo de la nave espacial y 861 millones se destinarán a cinco años de operaciones de la misión. [112] Los representantes de la ESA y la CSA afirmaron que sus contribuciones al proyecto ascienden a aproximadamente 700 millones de euros y 200 millones de dólares canadienses, respectivamente. [113]
Un estudio realizado en 1984 por el Space Science Board estimó que construir un observatorio infrarrojo de próxima generación en órbita costaría 4.000 millones de dólares (7.000 millones de dólares en 2006 o 10.000 millones de dólares en 2020). [72] Si bien esta cifra se acercaba al coste final del Webb, el primer diseño de la NASA considerado a finales de los años 1990 era más modesto: apuntaba a un coste de 1.000 millones de dólares a lo largo de 10 años de construcción. Con el tiempo, este diseño se amplió, añadió financiación para imprevistos y sufrió retrasos en la programación.
En 2008, cuando el proyecto entró en la revisión preliminar de diseño y se confirmó formalmente su construcción, ya se habían gastado más de 1.000 millones de dólares en el desarrollo del telescopio, y el presupuesto total se estimó en 5.000 millones de dólares (equivalentes a 7.800 millones de dólares en 2023). [126] En el verano de 2010, la misión pasó su Revisión Crítica de Diseño (CDR) con excelentes calificaciones en todos los aspectos técnicos, pero los retrasos en el cronograma y los costos en ese momento llevaron a la senadora estadounidense de Maryland Barbara Mikulski a solicitar una revisión externa del proyecto. El Panel de Revisión Integral Independiente (ICRP) presidido por J. Casani (JPL) encontró que la fecha de lanzamiento más temprana posible era a fines de 2015 con un costo adicional de 1.500 millones de dólares (para un total de 6.500 millones de dólares). También señalaron que esto habría requerido financiación adicional en los años fiscales 2011 y 2012 y que cualquier fecha de lanzamiento posterior conduciría a un costo total más alto. [120]
El 6 de julio de 2011, el comité de asignaciones de la Cámara de Representantes de los Estados Unidos para Comercio, Justicia y Ciencia decidió cancelar el proyecto James Webb proponiendo un presupuesto para el año fiscal 2012 que eliminaba 1.900 millones de dólares del presupuesto general de la NASA, de los cuales aproximadamente una cuarta parte se destinaba al Webb. [127] [128] [129] [130] Se habían gastado 3.000 millones de dólares y el 75% de su hardware estaba en producción. [131] Esta propuesta presupuestaria fue aprobada por votación del subcomité al día siguiente. El comité afirmó que el proyecto "excedía en miles de millones de dólares el presupuesto y estaba plagado de una mala gestión". [127] En respuesta, la Sociedad Astronómica Estadounidense emitió una declaración en apoyo de Webb, [132] al igual que el senador Mikulski. [133] Durante 2011 también aparecieron en la prensa internacional una serie de editoriales en apoyo de Webb. [127] [134] [135] En noviembre de 2011, el Congreso revirtió los planes de cancelar el Webb y en su lugar limitó el financiamiento adicional para completar el proyecto a US$8 mil millones. [136]
Aunque problemas similares habían afectado a otros proyectos importantes de la NASA, como el telescopio Hubble, algunos científicos expresaron su preocupación por los crecientes costos y los retrasos en el cronograma del telescopio Webb, preocupados de que su presupuesto pudiera competir con el de otros programas de ciencia espacial. [137] [138] Un artículo de Nature de 2010 describió al Webb como "el telescopio que se comió la astronomía". [139] La NASA continuó defendiendo el presupuesto y el cronograma del programa ante el Congreso. [138] [140]
En 2018, Gregory L. Robinson fue nombrado nuevo director del programa Webb. [141] A Robinson se le atribuyó el mérito de aumentar la eficiencia del cronograma del programa (cuántas medidas se completaron a tiempo) del 50% al 95%. [141] Por su papel en la mejora del rendimiento del programa Webb, el supervisor de Robinson, Thomas Zurbuchen , lo llamó "el líder de misión más eficaz que he visto en la historia de la NASA". [141] En julio de 2022, después de que se completara el proceso de puesta en servicio de Webb y comenzara a transmitir sus primeros datos, Robinson se jubiló tras una carrera de 33 años en la NASA. [142]
El 27 de marzo de 2018, la NASA retrasó el lanzamiento hasta mayo de 2020 o más tarde, [123] con una estimación final del costo que se realizaría después de que se determinara una nueva ventana de lanzamiento con la ESA. [143] [144] [145] En 2019, el límite de costo de su misión se incrementó en 800 millones de dólares. [146] Después de que las ventanas de lanzamiento se pausaran en 2020 debido a la pandemia de COVID-19 , [147] Webb se lanzó a fines de 2021, con un costo total de poco menos de 10 mil millones de dólares.
No hay un área única que determine el costo. Para los futuros telescopios grandes, hay cinco áreas principales que son críticas para controlar el costo general: [148]
Consideraciones sobre la integración temprana y las pruebas
Asociación
La NASA, la ESA y la CSA han colaborado en el telescopio desde 1996. La participación de la ESA en la construcción y el lanzamiento fue aprobada por sus miembros en 2003 y se firmó un acuerdo entre la ESA y la NASA en 2007. A cambio de la plena asociación, representación y acceso al observatorio para sus astrónomos, la ESA está proporcionando el instrumento NIRSpec, el conjunto de banco óptico del instrumento MIRI, un lanzador Ariane 5 ECA y mano de obra para apoyar las operaciones. [96] [149] La CSA proporcionó el sensor de guía fina y el espectrógrafo sin rendija de imágenes de infrarrojo cercano y mano de obra para apoyar las operaciones. [150]
Varios miles de científicos, ingenieros y técnicos de 15 países han contribuido a la construcción, prueba e integración de Webb. [151] Un total de 258 empresas, agencias gubernamentales e instituciones académicas participaron en el proyecto previo al lanzamiento; 142 de los Estados Unidos, 104 de 12 países europeos (incluidos 21 del Reino Unido, 16 de Francia, 12 de Alemania y 7 internacionales), [152] y 12 de Canadá. [151] Otros países como socios de la NASA, como Australia, participaron en la operación posterior al lanzamiento. [153]
En 2002, el administrador de la NASA (2001-2004) Sean O'Keefe tomó la decisión de nombrar el telescopio en honor a James E. Webb , el administrador de la NASA de 1961 a 1968 durante los programas Mercury , Gemini y gran parte de los programas Apollo . [91] [92]
En 2015, surgieron preocupaciones sobre el posible papel de Webb en el susto de la lavanda , la persecución de mediados del siglo XX por parte del gobierno de Estados Unidos dirigida a los homosexuales en el empleo federal . [154] [155] En 2022, la NASA publicó un informe de una investigación, [156] basado en un examen de más de 50.000 documentos. El informe encontró que "no hay evidencia disponible que vincule directamente a Webb con ninguna acción o seguimiento relacionado con el despido de personas por su orientación sexual", ya sea en su tiempo en el Departamento de Estado o en la NASA. [157] [158]
Objetivos de la misión
El telescopio espacial James Webb tiene cuatro objetivos clave:
para buscar luz de las primeras estrellas y galaxias que se formaron en el universo después del Big Bang
Estos objetivos se pueden lograr de manera más efectiva mediante la observación en luz cercana al infrarrojo en lugar de la luz en la parte visible del espectro. Por esta razón, los instrumentos del Webb no medirán la luz visible o ultravioleta como el telescopio Hubble, pero tendrán una capacidad mucho mayor para realizar astronomía infrarroja . El Webb será sensible a un rango de longitudes de onda de 0,6 a 28 μm (que corresponden respectivamente a la luz naranja y la radiación infrarroja profunda a unos 100 K o −173 °C).
Webb se puede utilizar para recopilar información sobre la atenuación de la luz de la estrella KIC 8462852 , que se descubrió en 2015 y tiene algunas propiedades de curva de luz anormales. [160]
Además, podrá determinar si un exoplaneta tiene metano en su atmósfera, lo que permitirá a los astrónomos determinar si el metano es o no una biofirma . [161] [162]
Diseño de órbita
Webb no está exactamente en el punto L 2 , sino que gira a su alrededor en una órbita de halo .Vistas alternativas de la nebulosa Carina obtenidas con el telescopio espacial Hubble , en las que se comparan las imágenes ultravioleta y visible (arriba) e infrarroja (abajo). En esta última se ven muchas más estrellas.
Webb orbita alrededor del Sol cerca del segundo punto de Lagrange (L 2 ) del sistema Sol-Tierra, que está a 1.500.000 km (930.000 mi) más lejos del Sol que la órbita de la Tierra, y aproximadamente cuatro veces más lejos que la órbita de la Luna. Normalmente, un objeto que orbita alrededor del Sol a una distancia mayor que la de la Tierra tardaría más de un año en completar su órbita. Pero cerca del punto L 2 , la atracción gravitatoria combinada de la Tierra y el Sol permite que una nave espacial orbite alrededor del Sol en el mismo tiempo que tarda en orbitar la Tierra. Al permanecer cerca de la Tierra, las velocidades de datos pueden ser mucho más rápidas para un tamaño de antena determinado.
El telescopio gira alrededor del punto Sol-Tierra L 2 en una órbita de halo , que está inclinada con respecto a la eclíptica , tiene un radio que varía entre aproximadamente 250.000 km (160.000 mi) y 832.000 km (517.000 mi), y tarda aproximadamente medio año en completarse. [28] Dado que L 2 es solo un punto de equilibrio sin atracción gravitatoria, una órbita de halo no es una órbita en el sentido habitual: la nave espacial está en realidad en órbita alrededor del Sol, y la órbita de halo puede considerarse como una deriva controlada para permanecer en las proximidades del punto L 2. [163] Esto requiere cierto mantenimiento de la posición : alrededor de2,5 m/s por año [164] del presupuesto total ∆ v de93 m/s . [165] : 10 Dos juegos de propulsores constituyen el sistema de propulsión del observatorio. [166] Debido a que los propulsores están ubicados únicamente en el lado del observatorio que mira hacia el Sol, todas las operaciones de mantenimiento de la posición están diseñadas para alcanzar ligeramente por debajo de la cantidad de empuje requerida para evitar empujar a Webb más allá del punto semiestable L 2 , una situación que sería irrecuperable. Randy Kimble, el científico del proyecto de integración y prueba para el JWST, comparó el mantenimiento preciso de la posición de Webb con " Sísifo [...] haciendo rodar esta roca por la suave pendiente cerca de la cima de la colina; nunca queremos que ruede sobre la cresta y se aleje de él". [167]
Animación de la trayectoria del telescopio espacial James Webb
Las observaciones infrarrojas pueden ver objetos ocultos en la luz visible, como el HUDF-JD2 que se muestra aquí.Ventanas atmosféricas en el infrarrojo: gran parte de este tipo de luz queda bloqueada cuando se la observa desde la superficie de la Tierra. Sería como mirar un arcoíris pero ver solo un color.
Webb es el sucesor formal del Telescopio Espacial Hubble (HST), y dado que su énfasis principal está en la astronomía infrarroja , también es un sucesor del Telescopio Espacial Spitzer . Webb superará con creces a ambos telescopios, siendo capaz de ver muchas más estrellas y galaxias mucho más antiguas. [168] Observar en el espectro infrarrojo es una técnica clave para lograr esto, debido al corrimiento al rojo cosmológico y porque penetra mejor el polvo y el gas que oscurecen. Esto permite la observación de objetos más tenues y fríos. Dado que el vapor de agua y el dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra absorben fuertemente la mayoría de los infrarrojos, la astronomía infrarroja terrestre está limitada a rangos de longitud de onda estrechos donde la atmósfera absorbe con menos fuerza. Además, la atmósfera misma irradia en el espectro infrarrojo, a menudo abrumando la luz del objeto que se observa. Esto hace que un telescopio espacial sea preferible para la observación infrarroja. [169]
Cuanto más distante se encuentra un objeto, más joven parece; su luz ha tardado más en llegar a los observadores humanos. Debido a que el universo se está expandiendo , a medida que la luz viaja se desplaza hacia el rojo, y los objetos a distancias extremas son, por lo tanto, más fáciles de ver si se observan en el infrarrojo. [170] Se espera que las capacidades infrarrojas del Webb le permitan ver en el pasado las primeras galaxias que se formaron solo unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang. [171]
La radiación infrarroja puede pasar más libremente a través de regiones de polvo cósmico que dispersan la luz visible. Las observaciones en el infrarrojo permiten el estudio de objetos y regiones del espacio que quedarían oscurecidos por el gas y el polvo en el espectro visible , [170] como las nubes moleculares donde nacen las estrellas, los discos circunestelares que dan origen a los planetas y los núcleos de las galaxias activas . [170]
Los objetos relativamente fríos (temperaturas inferiores a varios miles de grados) emiten su radiación principalmente en el infrarrojo, como se describe en la ley de Planck . Como resultado, la mayoría de los objetos que son más fríos que las estrellas se estudian mejor en el infrarrojo. [170] Esto incluye las nubes del medio interestelar , las enanas marrones , los planetas tanto en nuestro propio sistema solar como en otros, los cometas y los objetos del cinturón de Kuiper que se observarán con el Instrumento de Infrarrojo Medio (MIRI). [47] [171]
Algunas de las misiones en astronomía infrarroja que impactaron el desarrollo del Webb fueron Spitzer y la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP). [172] Spitzer mostró la importancia del infrarrojo medio, que es útil para tareas como la observación de discos de polvo alrededor de las estrellas. [172] Además, la sonda WMAP mostró que el universo estaba "iluminado" en un corrimiento al rojo de 17, lo que subraya aún más la importancia del infrarrojo medio. [172] Ambas misiones se lanzaron a principios de la década de 2000, a tiempo para influir en el desarrollo del Webb. [172]
Apoyo terrestre y operaciones
El Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial (STScI), en Baltimore, Maryland , en el Campus Homewood de la Universidad Johns Hopkins , fue seleccionado en 2003 como el Centro de Ciencia y Operaciones (S&OC) para Webb con un presupuesto inicial de US$162,2 millones destinados a apoyar las operaciones durante el primer año después del lanzamiento. [173] En esta capacidad, STScI iba a ser responsable de la operación científica del telescopio y la entrega de productos de datos a la comunidad astronómica. Los datos se transmitirían desde Webb a la tierra a través de la Red de Espacio Profundo de la NASA , se procesarían y calibrarían en STScI, y luego se distribuirían en línea a astrónomos de todo el mundo. De manera similar a cómo se opera el Hubble, cualquier persona, en cualquier parte del mundo, podrá enviar propuestas de observaciones. Cada año, varios comités de astrónomos revisarán por pares las propuestas presentadas para seleccionar los proyectos que se observarán en el año siguiente. Los autores de las propuestas elegidas normalmente tendrán un año de acceso privado a las nuevas observaciones, después del cual los datos estarán disponibles públicamente para que cualquier persona los pueda descargar desde el archivo en línea de STScI. [ cita requerida ]
El ancho de banda y el rendimiento digital del satélite están diseñados para funcionar a 458 gigabits de datos por día durante la duración de la misión (equivalente a una tasa sostenida de 5,42 Mbps ). [38] La mayor parte del procesamiento de datos en el telescopio se realiza mediante computadoras de placa única convencionales. [174] La digitalización de los datos analógicos de los instrumentos se realiza mediante el circuito integrado específico de aplicación SIDECAR (Sistema para digitalización, mejora, control y recuperación de imágenes ). La NASA afirmó que el SIDECAR ASIC incluirá todas las funciones de una caja de instrumentos de 9,1 kg (20 lb) en un paquete de 3 cm (1,2 pulgadas) y consumirá solo 11 milivatios de energía. [175] Dado que esta conversión debe realizarse cerca de los detectores, en el lado frío del telescopio, la baja disipación de energía es crucial para mantener la baja temperatura requerida para el funcionamiento óptimo del Webb. [175]
El telescopio está equipado con una unidad de estado sólido (SSD) con una capacidad de 68 GB, que se utiliza como almacenamiento temporal de los datos recopilados por sus instrumentos científicos. Al final de la misión de 10 años, se espera que la capacidad utilizable de la unidad disminuya a 60 GB debido a los efectos de la radiación y las operaciones de lectura y escritura. [176]
Impacto de micrometeoroide
El segmento del espejo C3 [c] sufrió el impacto de un micrometeoroide de una gran partícula del tamaño de una mota de polvo entre el 23 y el 25 de mayo, el quinto y mayor impacto desde el lanzamiento, informado el 8 de junio de 2022, que requirió que los ingenieros compensaran el impacto utilizando un actuador de espejo. [178] A pesar del impacto, un informe de caracterización de la NASA afirma que "todos los modos de observación del JWST han sido revisados y se ha confirmado que están listos para uso científico" al 10 de julio de 2022. [179]
Desde el lanzamiento hasta la puesta en servicio
Lanzamiento
El lanzamiento (designado vuelo Ariane VA256 ) tuvo lugar según lo programado a las 12:20 UTC del 25 de diciembre de 2021 en un cohete Ariane 5 que despegó del Centro Espacial de Guayana en la Guayana Francesa . [180] [181] Se confirmó que el telescopio estaba recibiendo energía, iniciando una fase de despliegue de dos semanas de sus partes [182] y viajando a su destino objetivo. [183] [184] [185] El telescopio fue liberado de la etapa superior 27 minutos y 7 segundos después del lanzamiento, comenzando un ajuste de 30 días para colocar el telescopio en una órbita de Lissajous [186] alrededor del punto L2 de Lagrange .
El telescopio fue lanzado con una velocidad ligeramente menor a la necesaria para alcanzar su órbita final, y fue disminuyendo su velocidad a medida que se alejaba de la Tierra, para llegar a L 2 con solo la velocidad necesaria para entrar en su órbita allí. El telescopio llegó a L 2 el 24 de enero de 2022. El vuelo incluyó tres correcciones de rumbo planificadas para ajustar su velocidad y dirección. Esto se debe a que el observatorio podía recuperarse de un empuje insuficiente (ir demasiado lento), pero no podía recuperarse de un empuje excesivo (ir demasiado rápido); para proteger los instrumentos altamente sensibles a la temperatura, el parasol debe permanecer entre el telescopio y el Sol, por lo que la nave espacial no podría girar ni usar sus propulsores para reducir la velocidad. [187]
Una órbita L2 es inestable , por lo que el JWST necesita usar propulsor para mantener su órbita de halo alrededor de L2 (lo que se conoce como mantenimiento de la posición ) para evitar que el telescopio se desvíe de su posición orbital. [188] Fue diseñado para llevar suficiente propulsor durante 10 años, [189] pero la precisión del lanzamiento del Ariane 5 y la primera corrección a mitad de camino se atribuyeron al ahorro de suficiente combustible a bordo para que el JWST pueda mantener su órbita durante unos 20 años. [190] [191] [192] Space.com calificó el lanzamiento de "impecable". [193]
Diagrama de Webb dentro del Ariane 5
Ariane 5 y Webb en la plataforma de lanzamiento de ELA-3
El Ariane 5, que contiene el telescopio espacial James Webb, despega desde la plataforma de lanzamiento
Ariane 5 con Webb momentos después del despegue
Webb visto desde la etapa superior criotécnica del ESC-D poco después de la separación, aproximadamente 29 minutos después del lanzamiento. Parte de la Tierra con el Golfo de Adén es visible en el fondo de la imagen. [194]
Tránsito y despliegue estructural
Cronograma de despliegue estructural [49]
Webb fue liberado de la etapa superior del cohete 27 minutos después de un lanzamiento impecable. [180] [195] Comenzando 31 minutos después del lanzamiento, y continuando durante aproximadamente 13 días, Webb comenzó el proceso de despliegue de su panel solar, antena, parasol y espejos. [196] Casi todas las acciones de despliegue son comandadas por el Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial en Baltimore , Maryland, a excepción de dos pasos automáticos tempranos, el despliegue del panel solar y el despliegue de la antena de comunicación. [197] [198] La misión fue diseñada para dar a los controladores terrestres flexibilidad para cambiar o modificar la secuencia de despliegue en caso de problemas. [199]
Secuencia de despliegue estructural
A las 19:50 EST del 25 de diciembre de 2021, aproximadamente 12 horas después del lanzamiento, el par de cohetes primarios del telescopio comenzó a funcionar durante 65 minutos para realizar la primera de las tres correcciones de curso previstas. [200] El segundo día, la antena de comunicación de alta ganancia se desplegó automáticamente. [199]
El 27 de diciembre de 2021, 60 horas después del lanzamiento, los cohetes del Webb se encendieron durante nueve minutos y 27 segundos para realizar la segunda de las tres correcciones a mitad de camino para que el telescopio llegara a su destino L 2. [201] El 28 de diciembre de 2021, tres días después del lanzamiento, los controladores de la misión comenzaron el despliegue de varios días del importantísimo parasol del Webb. El 30 de diciembre de 2021, los controladores completaron con éxito dos pasos más para desembalar el observatorio. En primer lugar, los comandos desplegaron el "flap de impulso" de popa, un dispositivo que proporciona equilibrio contra la presión solar sobre el parasol, ahorrando combustible al reducir la necesidad de encender los propulsores para mantener la orientación del Webb. [202]
El 31 de diciembre de 2021, el equipo de tierra extendió los dos "brazos intermedios" telescópicos de los lados izquierdo y derecho del observatorio. [203] El lado izquierdo se desplegó en 3 horas y 19 minutos; el lado derecho tardó 3 horas y 42 minutos. [204] [203] Entre el 3 y el 4 de enero se dieron órdenes para separar y tensar las membranas, que tuvieron éxito. [203] El 5 de enero de 2022, el control de la misión desplegó con éxito el espejo secundario del telescopio, que se fijó en su lugar con una tolerancia de aproximadamente un milímetro y medio. [205]
El último paso del despliegue estructural fue desplegar las alas del espejo primario. Cada panel consta de tres segmentos del espejo primario y tuvo que plegarse para permitir que el telescopio espacial se instalara en el carenado del cohete Ariane para el lanzamiento del telescopio. El 7 de enero de 2022, la NASA desplegó y fijó en su lugar el ala del lado de babor [206] y el 8 de enero, el ala del espejo del lado de estribor. Esto completó con éxito el despliegue estructural del observatorio. [207] [208] [209]
El 24 de enero de 2022, a las 14:00 hora estándar del este, [210] casi un mes después del lanzamiento, se produjo una tercera y última corrección de rumbo, insertando a Webb en su órbita de halo planificada alrededor del punto L 2 entre el Sol y la Tierra . [211] [212]
El instrumento MIRI tiene cuatro modos de observación: obtención de imágenes, espectroscopia de baja resolución, espectroscopia de resolución media e imágenes coronográficas. "El 24 de agosto, un mecanismo que admite la espectroscopia de resolución media (MRS) mostró lo que parece ser una mayor fricción durante la configuración para una observación científica. Este mecanismo es una rueda de rejilla que permite a los científicos seleccionar entre longitudes de onda cortas, medias y largas al realizar observaciones utilizando el modo MRS", dijo la NASA en un comunicado de prensa. [213]
Animación de la órbita del halo de Webb
Puesta en servicio y pruebas
El 12 de enero de 2022, mientras aún se encontraba en tránsito, comenzó la alineación del espejo. Los segmentos del espejo primario y el espejo secundario se alejaron de sus posiciones de lanzamiento protectoras. Esto tomó alrededor de 10 días, porque los 132 [214] motores actuadores están diseñados para ajustar con precisión las posiciones del espejo con una precisión microscópica (incrementos de 10 nanómetros ) y cada uno debe moverse más de 1,2 millones de incrementos (12,5 mm) durante la alineación inicial. [215] [39]
Para alinear el espejo es necesario que cada uno de los 18 segmentos del espejo y el espejo secundario estén posicionados con una precisión de 50 nanómetros . La NASA compara la precisión requerida por analogía: "Si el espejo primario del Webb fuera del tamaño de los Estados Unidos, cada segmento [del espejo] sería del tamaño de Texas, y el equipo tendría que alinear la altura de esos segmentos del tamaño de Texas entre sí con una precisión de aproximadamente 1,5 pulgadas". [216]
Animaciones de alineación de espejos del telescopio espacial James Webb
Identificación de imágenes de segmentos. Se mueven 18 segmentos de espejo para determinar qué segmento crea qué imagen de segmento. Después de hacer coincidir los segmentos de espejo con sus respectivas imágenes, los espejos se inclinan para acercar todas las imágenes a un punto común para su posterior análisis.
La alineación de segmentos comienza desenfocando las imágenes de los segmentos moviendo ligeramente el espejo secundario. Se aplica un análisis matemático, llamado recuperación de fase, a las imágenes desenfocadas para determinar los errores de posicionamiento precisos de los segmentos. Los ajustes de los segmentos dan como resultado 18 "telescopios" bien corregidos. Sin embargo, los segmentos aún no funcionan juntos como un solo espejo.
Apilamiento de imágenes. Para concentrar toda la luz en un único lugar, cada imagen de segmento debe apilarse una sobre otra. En el paso de apilamiento de imágenes, las imágenes de segmentos individuales se mueven de manera que queden exactamente en el centro del campo para producir una imagen unificada. Este proceso prepara el telescopio para el desfase grueso.
Alineación del telescopio sobre los campos de visión de los instrumentos. Después de realizar un ajuste fino, el telescopio está bien alineado en un punto del campo de visión de NIRCam. A continuación, la alineación debe extenderse al resto de los instrumentos.
La alineación de los espejos fue una operación compleja dividida en siete fases, que se habían ensayado repetidamente utilizando un modelo a escala 1:6 del telescopio. [216] Una vez que los espejos alcanzaron 120 K (−153 °C; −244 °F), [217] NIRCam apuntó a la estrella de sexta magnitud HD 84406 en la Osa Mayor . [d] [219] [220] Para hacer esto, NIRCam tomó 1560 imágenes del cielo y utilizó estas imágenes de amplio alcance para determinar hacia dónde apuntaba inicialmente cada segmento del espejo principal en el cielo. [221] Al principio, los segmentos individuales del espejo primario estaban muy desalineados, por lo que la imagen contenía 18 imágenes separadas y borrosas del campo estelar, cada una con una imagen de la estrella objetivo. Las 18 imágenes de HD 84406 se emparejan con sus respectivos segmentos de espejo, y los 18 segmentos se alinean aproximadamente centrados en la estrella ("Identificación de imagen de segmento"). A continuación, se corrigieron individualmente los principales errores de enfoque de cada segmento, utilizando una técnica llamada recuperación de fase , lo que dio como resultado 18 imágenes independientes de buena calidad de los 18 segmentos del espejo ("Alineación de segmentos"). Las 18 imágenes de cada segmento se movieron luego de modo que se superpusieran con precisión para crear una sola imagen ("Apilamiento de imágenes"). [216]
Una vez que los espejos se colocaron para obtener imágenes casi correctas, hubo que ajustarlos con precisión para que tuvieran una precisión operativa de 50 nanómetros, menos de una longitud de onda de la luz que se detectará. Se utilizó una técnica llamada detección de franjas dispersas para comparar imágenes de 20 pares de espejos, lo que permitió corregir la mayoría de los errores ("ajuste de fase grueso"), y luego se introdujo un desenfoque de luz en la imagen de cada segmento, lo que permitió detectar y corregir casi todos los errores restantes ("ajuste de fase fino"). Estos dos procesos se repitieron tres veces, y el ajuste de fase fino se comprobará de forma rutinaria durante el funcionamiento del telescopio. Después de tres rondas de ajuste de fase grueso y fino, el telescopio quedó bien alineado en un lugar del campo de visión de NIRCam. Se realizarán mediciones en varios puntos de la imagen capturada, en todos los instrumentos, y se calcularán correcciones a partir de las variaciones de intensidad detectadas, lo que dará un resultado bien alineado en todos los instrumentos ("Alineación del telescopio sobre los campos de visión de los instrumentos"). Finalmente, se realizó una última ronda de ajuste fino y comprobaciones de la calidad de la imagen en todos los instrumentos, para garantizar que se corrigieran los pequeños errores residuales que quedaban de los pasos anteriores ("Iteración de alineación para corrección final"). A continuación, se alinearon los segmentos del espejo del telescopio y pudieron capturar imágenes enfocadas con precisión. [216]
En preparación para la alineación, la NASA anunció a las 19:28 UTC del 3 de febrero de 2022 que NIRCam había detectado los primeros fotones del telescopio (aunque todavía no eran imágenes completas). [216] [222] El 11 de febrero de 2022, la NASA anunció que el telescopio casi había completado la fase 1 de alineación, con cada segmento de su espejo primario habiendo localizado y fotografiado la estrella objetivo HD 84406, y todos los segmentos puestos en alineación aproximada. [221] La alineación de la fase 1 se completó el 18 de febrero de 2022, [223] y una semana después, también se completaron las fases 2 y 3. [224] Esto significó que los 18 segmentos estaban trabajando al unísono, sin embargo, hasta que se completaran las 7 fases, los segmentos seguían actuando como 18 telescopios más pequeños en lugar de uno más grande. [224] Al mismo tiempo que se ponía en servicio el espejo primario, también se estaban llevando a cabo cientos de otras tareas de puesta en servicio y calibración de instrumentos. [225]
Imagen provisional de la fase 1, anotada con los segmentos de espejo relacionados que tomaron cada imagen
Imagen de finalización anotada de la fase 1 de HD 84406
Finalización de la fase 2, que muestra los efectos "antes y después" de la alineación de segmentos
Finalización de la fase 3, que muestra 18 segmentos "apilados" como una única imagen de HD 84406
La estrella 2MASS J17554042+6551277 [e] fue captada por el instrumento NIRCam
Una "selfie" tomada por la NIRCam durante el proceso de alineación
Comparación de imágenes entre el "viejo" Spitzer y el nuevo Webb [227]
Alineación de los sensores del telescopio espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA [228]
Sensor de guía fina de Webb (FGS) [229]
Asignación del tiempo de observación
El tiempo de observación del Webb se asigna a través de un programa de Observadores Generales (GO), un programa de Observaciones de Tiempo Garantizado (GTO) y un programa de Ciencia de Liberación Temprana Discrecional del Director (DD-ERS). [230] El programa GTO proporciona tiempo de observación garantizado para los científicos que desarrollaron componentes de hardware y software para el observatorio. El programa GO brinda a todos los astrónomos la oportunidad de solicitar tiempo de observación y representará la mayor parte del tiempo de observación. Los programas GO se seleccionan a través de una revisión por pares por parte de un Comité de Asignación de Tiempo (TAC), similar al proceso de revisión de propuestas utilizado para el Telescopio Espacial Hubble.
Programa de Ciencias de Liberación Temprana
En noviembre de 2017, el Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial anunció la selección de 13 programas de Ciencia de Lanzamiento Temprano Discrecional del Director (DD-ERS), elegidos a través de un proceso de propuesta competitivo. [231] [232] Las observaciones para estos programas - Observaciones de Lanzamiento Temprano (ERO) [233] [234] - se obtendrían durante los primeros cinco meses de operaciones científicas del Webb después del final del período de puesta en servicio. Se otorgó un total de 460 horas de tiempo de observación a estos 13 programas, que abarcan temas científicos que incluyen el Sistema Solar , exoplanetas , estrellas y formación estelar , galaxias cercanas y distantes , lentes gravitacionales y cuásares . Estos 13 programas ERS debían utilizar un total de 242,8 horas de tiempo de observación en el telescopio (sin incluir las observaciones de Webb por encima de la cabeza y el tiempo de respuesta ).
Programa de Observadores Generales
Para el Ciclo 1 de GO había 6.000 horas de tiempo de observación disponibles para asignar, y se presentaron 1.173 propuestas solicitando un total de 24.500 horas de tiempo de observación. [248] La selección de los programas GO del Ciclo 1 se anunció el 30 de marzo de 2021, con 266 programas aprobados. Estos incluyeron 13 programas grandes y programas de tesorería que producen datos para acceso público. [249] El programa GO del Ciclo 2 se anunció el 10 de mayo de 2023. [250] Las observaciones científicas del Webb se programan nominalmente en incrementos semanales. El plan de observación para cada semana lo publica los lunes el Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial. [251]
Resultados científicos
El JWST completó su puesta en servicio y estaba listo para comenzar sus operaciones científicas completas el 11 de julio de 2022. [252] Con algunas excepciones, la mayoría de los datos del experimento se mantienen privados durante un año para el uso exclusivo de los científicos que realizan ese experimento en particular, y luego los datos sin procesar se publicarán. [253]
Hubble (2017) comparado con Webb (2022) [254] [255]
Las observaciones del JWST avanzaron sustancialmente en la comprensión de los exoplanetas, los primeros mil millones de años del universo [260] y muchos otros fenómenos astrofísicos y cosmológicos.
Primeras imágenes a todo color
Las primeras imágenes a todo color y los datos espectroscópicos se publicaron el 12 de julio de 2022, lo que también marcó el inicio oficial de las operaciones científicas generales del Webb. El presidente de los Estados Unidos, Joe Biden, reveló la primera imagen, el primer campo profundo del Webb , el 11 de julio de 2022. [256] [257] Otras publicaciones en esta época incluyen: [261] [262] [263]
Nebulosa Carina : una joven región de formación de estrellas llamada NGC 3324 , situada a unos 8.500 años luz de la Tierra, descrita por la NASA como "Acantilados Cósmicos".
WASP-96b – incluye un análisis de la atmósfera con evidencia de agua alrededor de un planeta gaseoso gigante que orbita una estrella distante a 1120 años luz de la Tierra.
Nebulosa del Anillo Sur : nubes de gas y polvo expulsadas por una estrella moribunda a 2.500 años luz de la Tierra.
Quinteto de Stephan : una exhibición visual de cinco galaxias con nubes de gas y polvo en colisión que crean nuevas estrellas; cuatro galaxias centrales están a 290 millones de años luz de la Tierra.
SMACS J0723.3-7327 : un cúmulo de galaxias con un corrimiento al rojo de 0,39, con galaxias distantes de fondo cuyas imágenes están distorsionadas y magnificadas debido al efecto de lente gravitacional del cúmulo. Esta imagen se ha denominado el Primer Campo Profundo del Webb . Más tarde se descubrió que en esta fotografía el JWST también había revelado tres galaxias antiguas que existieron poco después del Big Bang. Sus imágenes de estas galaxias distantes son vistas del universo hace 13.100 millones de años. [262] [264] [265]
El 14 de julio de 2022, la NASA presentó imágenes de Júpiter y áreas relacionadas obtenidas por el JWST, incluidas vistas infrarrojas. [266]
En una preimpresión publicada casi al mismo tiempo, los científicos de la NASA, la ESA y la CSA afirmaron que "casi en todos los ámbitos, el rendimiento científico del JWST es mejor de lo esperado". El documento describía una serie de observaciones durante la puesta en servicio, cuando los instrumentos capturaron espectros de exoplanetas en tránsito con una precisión mejor que 1000 ppm por punto de datos, y rastrearon objetos en movimiento a velocidades de hasta 67 milisegundos de arco/segundo, más del doble de rápido que el requisito. [a] También obtuvo los espectros de cientos de estrellas simultáneamente en un campo denso hacia el centro galáctico de la Vía Láctea . Otros objetivos incluyeron: [25]
Interferometría de enmascaramiento de apertura (AMI) de NIRISS : detección clara de la estrella compañera de muy baja masa AB Doradus C, que tenía una separación de tan solo 0,3 segundos de arco con respecto a la primaria. Esta observación fue la primera demostración de AMI en el espacio.
Dos semanas después de las primeras imágenes del Webb, varios artículos preimpresos describieron una amplia gama de galaxias de alto corrimiento al rojo y muy luminosas (presumiblemente grandes) que se cree que datan de entre 235 millones de años (z = 16,7) y 280 millones de años después del Big Bang, mucho antes de lo que se sabía anteriormente. [233] [234] El 17 de agosto de 2022, la NASA publicó una gran imagen en mosaico de 690 fotogramas individuales tomados por la NIRCam en el Webb de numerosas galaxias muy tempranas. [268] [269] Algunas galaxias tempranas observadas por el Webb, como CEERS-93316 , que tiene un corrimiento al rojo estimado de aproximadamente z = 16,7 correspondiente a 235,8 millones de años después del Big Bang, son candidatas a galaxias de alto corrimiento al rojo. [270] [271] En septiembre de 2022, se propuso que los agujeros negros primordiales explicaran estas galaxias inesperadamente grandes y tempranas. [272] [273] [274] En mayo de 2024, el JWST identificó la galaxia más distante conocida, JADES-GS-z14-0, [275] vista solo 290 millones de años después del Big Bang, lo que corresponde a un corrimiento al rojo de 14,32. Parte del Sondeo Extragaláctico Profundo Avanzado (JADES) del JWST, este descubrimiento destaca una galaxia significativamente más luminosa y masiva de lo esperado para un período tan temprano. Un análisis detallado utilizando los instrumentos NIRSpec y MIRI del JWST reveló las notables propiedades de esta galaxia, incluido su tamaño significativo y contenido de polvo, lo que desafía los modelos actuales de formación temprana de galaxias. [275]
Observaciones e interpretaciones posteriores dignas de mención
En junio de 2023 se anunció la detección de moléculas orgánicas a 12 mil millones de años luz de distancia en una galaxia llamada SPT0418-47 utilizando el telescopio Webb. [276]
El 12 de julio de 2023, la NASA celebró el primer año de operaciones con la publicación de la imagen de Webb de una pequeña región de formación de estrellas en el complejo de nubes Rho Ophiuchi , a 390 años luz de distancia. [277]
En septiembre de 2023, dos astrofísicos cuestionaron el Modelo Estándar de Cosmología aceptado , basándose en los últimos estudios del JWST. [278]
En diciembre de 2023, la NASA publicó imágenes relacionadas con las vacaciones de Navidad tomadas por el JWST, incluido el cúmulo de galaxias del árbol de Navidad y otras. [279]
En mayo de 2024, el JWST detectó la fusión de agujeros negros más lejana conocida. [280] Este descubrimiento, que ocurrió dentro del sistema galáctico ZS7, 740 millones de años después del Big Bang, sugiere una tasa de crecimiento rápida de los agujeros negros a través de fusiones, incluso en el Universo joven.
Galería
Primeras imágenes del telescopio espacial James Webb, publicadas el 12 de julio de 2022
^ ab JWST fue diseñado con el requisito de rastrear objetos que se mueven tan rápido como Marte, que tiene una velocidad aparente máxima en el cielo de 30 mas /s, que es el valor dado en la especificación técnica, es decir, el valor nominal. [24] Durante la puesta en servicio, se observaron varios asteroides para determinar la limitación real de la velocidad de los objetos y resultó ser 67 mas/s, que es más del doble del valor nominal. El seguimiento a velocidades de 30-67 mas/s mostró precisiones similares al seguimiento de objetivos más lentos. Por lo tanto, el telescopio puede observar también asteroides cercanos a la Tierra (NEAs), cometas más cercanos al perihelio y objetos interestelares . [25] : 8 Más tarde, después de haber adquirido más experiencia con FGS , el límite de velocidad de seguimiento finalmente se estableció en 75 mas/s para observaciones de rutina. También son posibles velocidades más altas de hasta 100 mas/s a pedido especial, ya que FGS necesita múltiples estrellas guía para este fin, lo que introduce complejidad e ineficiencia. La primera observación con una velocidad superrápida fue el experimento de impacto DART del 26 de septiembre de 2022. [26]
^ "Deflector", en este contexto, significa encerrado en un tubo de manera similar a un telescopio óptico convencional , lo que ayuda a detener la luz difusa que ingresa al telescopio desde un costado. Para ver un ejemplo real, consulte el siguiente enlace: Freniere, ER (1981). "Diseño de primer orden de deflectores ópticos". Serie de conferencias de la Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE), Diseño de primer orden de deflectores ópticos . Dispersión de radiación en sistemas ópticos. Vol. 257. págs. 19–28. Código Bibliográfico :1981SPIE..257...19F. doi :10.1117/12.959598.
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Further reading
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JWST NASA – Tracking Page − Launch to Final Calibrations (and more)
JWST NASA – About page − Timeline details / Webb orbit / L2 / Communicating
Chronological List of James Webb Telescope Discoveries
JWST Text – Most Critical Events – Launching and Deployment (2021)
JWST Video (031:22): Highlights − Technical Engineering Details (2021)
JWST Video (012:02): 1st Month – Launching and Deployment (animation; 2017)
JWST Video (008:06): 1st Month − Launching and Deployment (update; 2021)
JWST Video (003:00): 2nd Month − Mirror Alignment details (2/11/2022)
JWST Videos (Mission Control Live) – Deployment Events − Now Successfully Completed (2022):
LAUNCH (005:07; 25 Dec 2021) ⇒ SEPARATION (003:14; 25 Dec 2021) (mirror) ⇒ James Webb Space Telescope: Sunshield Deployment – Mission Control Live SUNSHIELD (152:45; 04 Jan 2022) ⇒
James Webb Space Telescope: Secondary Mirror Deployment – Mission Control Live SECONDARY MIRROR (087:15; 05 Jan 2022) ⇒ James Webb Space Telescope: Primary Mirror Deployment – Mission Control Live PRIMARY MIRROR (242:29; 08 Jan 2022) ⇒ News Update on James Webb Space Telescope's Full Deployment FINAL DEPLOYMENT (085:15; 08 Jan 2022) ⇒
Media Briefing: What's Next for the James Webb Space Telescope ARRIVAL AT L2 (077:14; 24 Jan 2022) ⇒ JAMES WEBB TELESCOPE First Photos, Data & Calibrations Explained TESTINGS & CALIBRATIONS ⇒ The First Thing That James Webb Will See FIRST LIGHT
Unknown: Cosmic Time Machine, Netflix; 2023 – film documentary about the development and deployment of the James Webb Space Telescope.
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