El espejo primario de Webb consta de 18 segmentos de espejo hexagonales hechos de berilio chapado en oro , que juntos crean un espejo de 6,5 metros de diámetro (21 pies), en comparación con los 2,4 m (7 pies 10 pulgadas) del Hubble. Esto le da a Webb un área de recolección de luz de unos 25 metros 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 a 2,5 μm) [15] , Webb observa un rango de frecuencia más bajo, desde la luz visible de longitud de onda larga (roja) hasta la luz media. -infrarrojo (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 telescopio no interfiera con la luz captada. Su parasol de cinco capas lo protege del calentamiento provocado por el Sol, la Tierra y la Luna.
Los diseños iniciales del telescopio, entonces denominado Telescopio Espacial de Próxima Generación, comenzaron en 1996. En 1999 se encargaron dos estudios conceptuales, para un posible lanzamiento en 2007 y un presupuesto de mil 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, seguida de años de pruebas exhaustivas, con un costo total de 10 mil millones de dólares.
Características
La masa del Telescopio Espacial James Webb es aproximadamente la mitad que la del Telescopio Espacial Hubble . 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, [16] dando un área total de recolección de 25,4 m 2 (273 pies cuadrados). ). Esto es más de seis veces mayor 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 una capa dorada para proporcionar reflectividad infrarroja y está cubierta por una fina capa de vidrio para mayor durabilidad. [17]
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, según el instrumento que se utilice. [11] [12] 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 (aproximadamente 180 millones de años de tiempo cósmico después del Big Bang ). [18] 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), [19] y las primeras galaxias pueden haberse formado alrededor del corrimiento al rojo z≈15 (aproximadamente 270 millones de años de tiempo cósmico). Hubble no puede ver más allá de la reionización muy temprana [20] [21] aproximadamente en z≈11.1 (galaxia GN-z11 , 400 millones de años de tiempo cósmico). [22] [23] [18]
El diseño enfatiza el infrarrojo cercano al medio por varias razones:
los objetos con alto corrimiento al rojo (muy tempranos y distantes) tienen sus emisiones visibles desplazadas al infrarrojo y, por lo tanto, su luz sólo puede observarse mediante astronomía infrarroja ; [15]
la luz infrarroja atraviesa más fácilmente las nubes de polvo que la luz visible; [15]
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 mediante telescopios espaciales existentes como el Hubble.
Los telescopios terrestres deben mirar a través de la atmósfera terrestre , que es opaca en muchas bandas infrarrojas (ver figura a la derecha). Incluso cuando 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 están 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 fuertemente en las bandas infrarrojas relevantes. [24]
Webb opera en una órbita de halo , dando vueltas alrededor de un punto en el espacio conocido como punto de Lagrange L 2 Sol-Tierra , aproximadamente 1.500.000 km (930.000 millas) 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 a 517.000 millas) 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 millas) sobre la superficie de la Tierra y la Luna está aproximadamente a 400.000 km (250.000 millas) de la Tierra. Los objetos cercanos a este punto L 2 Sol-Tierra pueden orbitar el Sol en sincronía con la Tierra, lo que permite que el telescopio permanezca a una distancia aproximadamente constante [29] con una orientación continua de su parasol y del bus de equipos hacia el Sol , la Tierra y la Luna . Combinado 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 la estructura, y aun así mantener la energía solar ininterrumpida y Comunicaciones terrestres en su lado orientado al sol. Esta disposición mantiene la temperatura de la nave espacial constante y por debajo de los 50 K (-223 °C; -370 °F) necesarios para observaciones en el infrarrojo débil. [30] [31]
Protección solar
Unidad de prueba del parasol apilada y ampliada en las instalaciones de Northrop Grumman en California, 2014
Para realizar observaciones en el espectro infrarrojo , Webb debe mantenerse por debajo de 50 K (−223,2 °C; −369,7 °F); de lo contrario, la radiación infrarroja del propio telescopio abrumaría sus instrumentos. Su gran parasol bloquea la luz y el calor del Sol , la Tierra y la Luna , y su posición cerca del Sol-Tierra L 2 mantiene los tres cuerpos en el mismo lado de la nave espacial en todo momento. [32] Su órbita de halo alrededor del punto L 2 evita la sombra de la Tierra y la Luna, manteniendo un entorno constante para el escudo solar y los paneles solares. [29] La temperatura estable resultante para las estructuras en el lado oscuro es fundamental para mantener una alineación precisa de los segmentos del espejo primario. [30]
El parasol de cinco capas, cada capa tan delgada como un cabello humano, [33] está hecho de una película Kapton E , recubierta con aluminio en ambos lados y una capa de silicio dopado en el lado de las dos capas más calientes que mira hacia el sol para reflejar el calor del Sol regresa al espacio. [30] 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. [34]
El parasol fue diseñado para plegarse doce veces para que encajara 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 completamente desplegadas del escudo se planificaron en 14,162 m × 21,197 m (46,46 pies × 69,54 pies). [35]
Mantenerse dentro de la sombra del parasol limita el campo de visión de Webb en un momento dado. El telescopio puede ver el 40 por ciento del cielo desde cualquier posición, pero puede ver todo el cielo en un período de seis meses. [36]
El espejo primario de 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 espejo único y 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 mediante recuperación de fase se utiliza para colocar los segmentos del espejo en la ubicación correcta utilizando actuadores precisos . Después de esta configuración inicial, solo necesitan actualizaciones ocasionales cada pocos días para mantener un enfoque óptimo. [37] 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. [38] El telescopio Webb utiliza 132 pequeños motores de accionamiento para posicionar y ajustar la óptica. [39] Los actuadores pueden posicionar el espejo con una precisión de 10 nanómetros . [40]
El diseño óptico de Webb es un anastigmat de tres espejos , [41] que utiliza espejos secundarios y terciarios curvos 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 fino espejo de dirección que puede ajustar su posición muchas veces por segundo para proporcionar estabilización de imagen . Las fotografías tomadas por Webb tienen seis picos más dos más débiles debido a la araña que sostiene el espejo secundario. [42]
Instrumentos cientificos
NIRCam concluyó en 2013El conjunto de calibración, un componente del instrumento NIRSpecMIRI
El Módulo de Instrumentos Científicos Integrados (ISIM) es un marco que proporciona energía eléctrica, recursos informáticos, capacidad de enfriamiento y estabilidad estructural al telescopio Webb. Está hecho con un compuesto de grafito y epoxi adherido a la parte inferior de la estructura del telescopio Webb. El ISIM sostiene los cuatro instrumentos científicos y una cámara guía. [43]
NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) es un generador de imágenes infrarrojas que tiene una cobertura espectral que va desde el borde de lo visible (0,6 μm) hasta el infrarrojo cercano (5 μm). [44] [45] Hay 10 sensores cada uno de 4 megapíxeles. NIRCam sirve como sensor de frente de onda del observatorio, necesario para las actividades de control y detección de frente de onda, y se utiliza para alinear y enfocar los segmentos principales del espejo. NIRCam fue construida por un equipo dirigido por la Universidad de Arizona , con la investigadora principal Marcia J. Rieke . [46]
NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) realiza espectroscopia en el mismo rango de longitud de onda. Fue construido por la Agencia Espacial Europea en ESTEC en Noordwijk , Países Bajos. El equipo de desarrollo líder incluye miembros de Airbus Defence and Space , Ottobrunn y Friedrichshafen, Alemania, y el Centro de Vuelos Espaciales Goddard ; con Pierre Ferruit ( École normale supérieure de Lyon ) como científico del proyecto NIRSpec. El diseño de NIRSpec proporciona tres modos de observación: un modo de baja resolución que utiliza un prisma, un modo multiobjeto R~1000 y una unidad de campo integral R~2700 o modo de espectroscopía de rendija larga. El cambio de modos se realiza operando un mecanismo de preselección de longitud de onda llamado Conjunto de rueda de filtro y seleccionando un elemento dispersivo correspondiente (prisma o rejilla) usando el mecanismo de 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 observaciones simultáneas de cientos de objetos individuales en cualquier lugar del campo de visión de NIRSpec. Hay dos sensores, cada uno de 4 megapíxeles. [47]
MIRI (Instrumento de infrarrojo medio) mide el rango de longitud de onda del infrarrojo medio a largo de 5 a 27 μm. [48] [49] Contiene una cámara de infrarrojo medio y un espectrómetro de imágenes . [50] 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). [46] La temperatura del MIRI no debe exceder los 6 K (-267 °C; -449 °F): un enfriador mecánico de gas helio ubicado en el lado cálido del escudo ambiental proporciona este enfriamiento. [51]
Para estabilizar la línea de visión del observatorio durante observaciones científicas. Las mediciones del FGS se utilizan tanto para controlar la orientación general de la nave espacial como para accionar el fino espejo de dirección para estabilizar la imagen. La Agencia Espacial Canadiense también proporcionó un módulo de cámara de infrarrojos cercano y espectrógrafo sin ranura (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 [52] en la Universidad de Montreal . [46] Aunque a menudo se los conoce juntos como una unidad, el NIRISS y el FGS tienen propósitos completamente diferentes, siendo uno un instrumento científico y el otro parte de la infraestructura de apoyo del observatorio. [53]
Diagrama del autobús de la nave espacial . El panel solar es de color verde y los paneles de color violeta claro son radiadores.
El autobús de la nave espacial es el principal componente de soporte del Telescopio Espacial James Webb y alberga una multitud de piezas estructurales, de informática, de comunicación y de propulsión. [54] Junto con el parasol, forma el elemento de nave espacial del telescopio espacial . [55] [56] El autobús de la nave espacial está en el lado "cálido" del parasol que mira hacia el Sol y opera a una temperatura de aproximadamente 300 K (27 °C; 80 °F). [55]
La estructura del autobús 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. [57] 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. [58]
Webb tiene dos pares de motores de cohetes (un par para redundancia) para hacer correcciones de rumbo en el camino a L 2 y para mantenerse en posición , manteniendo la posición correcta en la órbita de halo. Se utilizan ocho propulsores más pequeños para controlar la actitud : la orientación correcta de la nave espacial. [59] 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). [60]
Servicio
Webb no está diseñado para recibir servicio en el espacio. Una misión tripulada para reparar o mejorar el observatorio, como se hizo con el Hubble, no sería posible, [61] 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 época en que se diseñó Webb. [62] Durante el largo período de pruebas del Webb, los funcionarios de la NASA se refirieron a la idea de una misión de servicio, pero no se anunciaron planes. [63] [64] Desde el lanzamiento exitoso, la NASA ha declarado que, sin embargo, se hicieron adaptaciones limitadas para facilitar futuras misiones de servicio. Estas adaptaciones incluían marcadores de guía precisos en forma de cruces en la superficie de Webb, para uso en misiones de servicio remoto, así como tanques de combustible recargables, protectores térmicos removibles y puntos de conexión accesibles. [65] [62]
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 ASCII (en lugar de bloques de comando binarios) a bordo, escritos en una versión personalizada de JavaScript. El intérprete de script es ejecutado por 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". [66] [67]
Comparación con otros telescopios
Comparación con el espejo primario del Telescopio Espacial HubbleComparación del tamaño del espejo primario entre Webb y Hubble
El deseo de disponer de un gran telescopio espacial infrarrojo se remonta a décadas atrás. En los Estados Unidos, la instalación del Telescopio Espacial Infrarrojo (más tarde llamado Telescopio Espacial Spitzer ) se planeó mientras se desarrollaba el transbordador espacial, y en ese momento se reconoció el potencial de la astronomía infrarroja. [68] A diferencia de los telescopios terrestres, los observatorios espaciales están libres de la absorción atmosférica de luz infrarroja. Los observatorios espaciales abrieron un "nuevo cielo" para los astrónomos.
Sin embargo, el diseño de telescopios infrarrojos plantea un desafío: deben permanecer extremadamente fríos, y cuanto más larga sea la longitud de onda del infrarrojo, más fríos deben ser. De lo contrario, el calor ambiental del propio dispositivo abruma a los detectores, haciéndolo efectivamente ciego. Esto puede superarse mediante un diseño cuidadoso. Un método consiste en colocar los instrumentos clave en un recipiente dewar con una sustancia extremadamente fría, como el helio líquido . El refrigerante se vaporizará lentamente, limitando la vida útil del instrumento desde unos pocos meses hasta unos pocos años como máximo. [24]
También es posible mantener una temperatura baja diseñando la nave espacial para permitir observaciones en el infrarrojo cercano sin suministro de refrigerante, como en las misiones extendidas del Telescopio Espacial Spitzer y el Explorador de Infrarrojos de Campo Amplio , que operaron a capacidad reducida después de agotamiento del refrigerante. Otro ejemplo es el instrumento de cámara de infrarrojo cercano y espectrómetro multiobjeto (NICMOS) del Hubble , que comenzó usando un bloque de hielo de nitrógeno que se agotó después de un par de años, pero luego fue reemplazado durante la misión de mantenimiento STS-109 por un crioenfriador que funcionó. continuamente. El Telescopio Espacial Webb está diseñado para enfriarse solo sin un Dewar, utilizando una combinación de parasoles y radiadores, mientras que el instrumento de infrarrojo medio utiliza un crioenfriador adicional. [69]
Los retrasos y los aumentos de costos de Webb se han comparado con los de su predecesor, el Telescopio Espacial Hubble . Cuando el Hubble comenzó formalmente en 1972, tenía un costo de desarrollo estimado de 300 millones de dólares (equivalente a 2.098.807.000 dólares en 2022), pero cuando fue enviado a órbita en 1990, el costo era aproximadamente cuatro veces mayor. Además, los nuevos instrumentos y las misiones de servicio aumentaron el costo a al menos 9 mil millones de dólares en 2006 [73] (equivalente a 13.064.708.000 dólares en 2022).
Historia del desarrollo
Antecedentes (desarrollo hasta 2003)
Las discusiones sobre una continuación del Hubble comenzaron en la década de 1980, pero a principios de la década de 1990 se inició una planificación seria. [76] El concepto de telescopio Hi-Z se desarrolló entre 1989 y 1994: [77] un telescopio infrarrojo de apertura completamente desconcertado [b] de 4 m (13 pies) que retrocedería a una órbita de 3 unidades astronómicas (AU). [78] Esta órbita distante se habría beneficiado de la reducción del ruido de la luz procedente del polvo zodiacal . [78] Otros planes iniciales requerían una misión del telescopio precursor NEXUS. [79] [80]
El Comité HST & Beyond se formó en 1994 "para estudiar posibles misiones y programas de astronomía óptico-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 sensible al infrarrojo más grande y mucho más frío que podría 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 cálido, está cegado por la emisión infrarroja de su propio sistema óptico. Además de las recomendaciones para extender la misión HST hasta 2005 y desarrollar tecnologías para encontrar planetas alrededor de otras estrellas, la NASA aceptó la principal recomendación de HST & Beyond [82] para un telescopio espacial grande y frío (enfriado por radiación muy por debajo de 0 °C). , y comenzó el proceso de planificación del futuro telescopio Webb.
La preparación para el Estudio 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 conoció como el Estudio Espacial de Próxima Generación. Telescopio, [83] y avances en tecnologías relevantes de la NASA. A medida que maduró, estudiar el nacimiento de galaxias en el universo joven y buscar planetas alrededor de otras estrellas, los objetivos principales fusionados como "Origins" por HST & Beyond se volvieron prominentes.
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 próximo gran cambio de paradigma para la astronomía: romper la barrera de un único espejo. Eso significó pasar de "eliminar las partes móviles" a "aprender a vivir con las partes móviles" (es decir, ópticas segmentadas). 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 al final se seleccionó el berilio . [76]
La era de mediados de la década de 1990 de "más rápido, mejor y más barato" produjo el concepto NGST, con una apertura de 8 m (26 pies) para volar a L 2 , cuyo costo se estima aproximadamente en 500 millones de dólares. [85] En 1997, la NASA trabajó con el Centro de Vuelo Espacial Goddard, [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 Lockheed Martin. [89] y TRW para estudios conceptuales preliminares. [90] El lanzamiento estaba previsto en ese momento para 2007, pero la fecha de lanzamiento se retrasó muchas veces (ver tabla más abajo).
En 2002, el proyecto pasó a llamarse en honor al segundo administrador de la NASA (1961-1968), James E. Webb (1906-1992). [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 adjudicó a TRW el contrato principal por 824,8 millones de dólares para Webb. El diseño requería un espejo primario sin alcance de 6,1 m (20 pies) y una fecha de lanzamiento de 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 fue gestionado por el 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 construcción del elemento de la nave espacial, que incluía el bus satelital , el parasol, el conjunto de torre desplegable (DTA) que conecta el elemento del telescopio óptico con el bus de la nave espacial y el conjunto de brazo medio (MBA). ) que ayuda a desplegar los grandes protectores solares 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). [43]
El crecimiento de los costes revelado en la primavera de 2005 llevó a una replanificación en agosto de 2005. [95] Los principales resultados técnicos de la replanificación 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 se mantuvieron sin cambios. Tras la replanificación, el proyecto fue revisado de forma independiente en abril de 2006. [ cita necesaria ]
En el nuevo plan de 2005, el costo del ciclo de vida del proyecto se estimó en 4.500 millones de dólares. Esto comprendía aproximadamente 3.500 millones de dólares para diseño, desarrollo, lanzamiento y puesta en servicio, y aproximadamente 1.000 millones de dólares para diez años de operaciones. [95] La ESA acordó en 2004 contribuir con unos 300 millones de euros, incluido el lanzamiento. [96] La Agencia Espacial Canadiense 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)
El telescopio ensamblado tras las pruebas ambientales.
En enero de 2007, nueve de los diez elementos de desarrollo tecnológico del proyecto superaron con éxito una revisión de un no defensor. [99] Estas tecnologías se consideraron suficientemente maduras para eliminar riesgos importantes en el 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 el 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 Preliminar del Diseño (PDR). En abril de 2008, el proyecto pasó la revisión de no defensores. Otras revisiones aprobadas incluyen la revisión del Módulo de Instrumentos Científicos Integrados en marzo de 2009, la revisión del Elemento del Telescopio Óptico completada en octubre de 2009 y la revisión del Protector Solar completada en enero de 2010. [101]
En abril de 2010, el telescopio pasó la parte técnica de su Revisión de Diseño de Misión Crítica (MCDR). Pasar el MCDR significó que el observatorio integrado puede cumplir con todos los requisitos científicos y de ingeniería para su misión. [102] El MCDR abarcó todos los exámenes de diseño anteriores. El cronograma del proyecto se revisó durante los meses posteriores a la MCDR, en un proceso llamado Panel Independiente de Revisión Integral, que condujo a un nuevo plan de la misión con el objetivo de un lanzamiento en 2015, pero tan tarde como 2018. Para 2010, los costos se sobrepasaron. Las ejecuciones estaban impactando otros proyectos, aunque Webb se mantuvo dentro del cronograma. [103]
En 2011, el proyecto Webb se encontraba 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] Construcción final del Webb El telescopio se completó en noviembre de 2016, después de lo cual comenzaron extensos procedimientos de prueba. [106]
En marzo de 2018, la NASA retrasó el lanzamiento de 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 otros 10 meses 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 despliegue del Webb tuvieron 344 fallas potenciales de un solo punto : tareas que no tenían alternativa o medio 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 previsto que se hiciera 12 años antes, en 2007. [109]
Una vez completada la construcción, Webb se sometió a pruebas finales en el histórico Parque Espacial de Northrop Grumman en Redondo Beach, California. [110] Un barco que transportaba el telescopio salió 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 horarios
El costo de vida del proyecto para la NASA es [ ¿cuándo? ] se espera que sea de 9.700 millones de dólares, de los cuales 8.800 millones se gastaron en diseño y desarrollo de naves espaciales y se prevé que 861 millones de dólares respalden cinco años de operaciones de misión. [112] Representantes de la ESA y la CSA declararon 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 la Junta de Ciencias Espaciales estimó que construir un observatorio infrarrojo de próxima generación en órbita costaría 4 mil millones de dólares (7 mil millones de dólares en dólares de 2006, o 10 mil millones de dólares en dólares de 2020). [73] Si bien esto se acercó al costo final de Webb, el primer diseño de la NASA considerado a fines de la década de 1990 fue más modesto y apuntaba a un precio de mil millones de dólares durante 10 años de construcción. Con el tiempo, este diseño se expandió, agregó fondos para contingencias y tuvo retrasos en la programación.
En 2008, cuando el proyecto entró en la revisión de diseño preliminar y se confirmó formalmente su construcción, ya se habían gastado más de mil millones de dólares en el desarrollo del telescopio, y el presupuesto total se estimaba en unos 5 mil millones de dólares (equivalente a 7,49 mil millones de dólares en 2022). [126] En el verano de 2010, la misión aprobó 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 Independiente de Revisión Integral (ICRP), presidido por J. Casani (JPL), concluyó que la fecha de lanzamiento más temprana posible era a finales 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 Comercio, Justicia y Ciencia de la Cámara de Representantes de los Estados Unidos decidió cancelar el proyecto James Webb al proponer un presupuesto para el año fiscal 2012 que eliminó 1.900 millones de dólares del presupuesto general de la NASA, de los cuales aproximadamente una cuarta parte se destinó a Webb. [127] [128] [129] [130] Se habían gastado 3 mil millones de dólares y el 75% de su hardware estaba en producción. [131] Esta propuesta de presupuesto fue aprobada por votación del subcomité al día siguiente. El comité acusó que el proyecto excedía el presupuesto "por miles de millones de dólares y estaba plagado de mala gestión". [127] En respuesta, la Sociedad Astronómica Estadounidense emitió una declaración en apoyo de Webb, [132] al igual que el senador Mikulski. [133] También aparecieron en la prensa internacional varios editoriales que apoyaban a Webb durante 2011. [127] [134] [135] En noviembre de 2011, el Congreso revocó los planes de cancelar Webb y en su lugar limitó la financiación adicional para completar el proyecto a 8 mil millones de dólares. [136]
Si bien 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 retrasos en el cronograma del telescopio Webb, preocupados de que su presupuesto pudiera estar compitiendo con el de otros programas de ciencia espacial. [137] [138] Un artículo de Nature de 2010 describió a 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 Robinsons, Thomas Zurbuchen , lo llamó "el líder de misión más eficaz que jamás haya visto en la historia de la NASA". [141] En julio de 2022, después de que se completó el proceso de puesta en servicio de Webb y comenzó a transmitir sus primeros datos, Robinson se retiró después de 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] y la estimación final del costo se realizará después de que se determine una nueva ventana de lanzamiento con la Agencia Espacial Europea (ESA). [143] [144] [145] En 2019, el límite de costo de su misión se incrementó en 800 millones de dólares. [146] Después de que se pausaran las ventanas de lanzamiento en 2020 debido a la pandemia de COVID-19, [147] Webb se lanzó a finales de 2021, con un presupuesto total de poco menos de 10 mil millones de dólares estadounidenses.
Ningún área en particular impulsó el costo. Para futuros grandes telescopios se considera fundamental evaluar cinco áreas principales para controlar el costo: [148]
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 una asociación total, representación y acceso al observatorio Para sus astrónomos, la ESA proporciona 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 hendiduras del generador de imágenes de infrarrojo cercano y mano de obra para respaldar 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 de prelanzamiento; 142 de 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 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 EE. UU. contra los homosexuales en empleos federales . [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:
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 con luz infrarroja cercana en lugar de con luz en la parte visible del espectro. Por este motivo, los instrumentos de Webb no medirán la luz visible o ultravioleta como el Telescopio Hubble, sino que tendrán una capacidad mucho mayor para realizar astronomía infrarroja . 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 aproximadamente 100 K o -173 °C).
Webb puede usarse para recopilar información sobre la luz tenue de la estrella KIC 8462852 , que fue descubierta en 2015 y tiene algunas propiedades anormales de curva de luz. [160]
Además, podrá saber si un exoplaneta tiene metano en su atmósfera, lo que permitirá a los astrónomos determinar si el metano es una firma biológica o no . [161] [162]
diseño de órbita
Webb no está exactamente en el punto L 2 , sino que lo rodea en una órbita de halo .Vistas alternativas de la Nebulosa Carina del Telescopio Espacial Hubble , comparando la astronomía ultravioleta y visible (arriba) e infrarroja (abajo). En este último se ven muchas más estrellas.
Webb orbita alrededor del Sol cerca del segundo punto de Lagrange (L 2 ) del sistema Sol-Tierra, que está 1.500.000 km (930.000 millas) 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 gira alrededor del Sol a mayor distancia que la Tierra tardaría más de un año en completar su órbita. Pero cerca del punto L 2 , la atracción gravitacional combinada de la Tierra y el Sol permite que una nave espacial orbite el Sol al mismo tiempo que lo hace alrededor de la Tierra. Permanecer cerca de la Tierra permite que las velocidades de datos sean mucho más rápidas para un tamaño de antena determinado.
El telescopio gira alrededor del punto L 2 Sol-Tierra 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 media hora. año para completar. [29] Dado que L 2 es simplemente un punto de equilibrio sin atracción gravitacional, una órbita de halo no es una órbita en el sentido habitual: la nave espacial en realidad está en órbita alrededor del Sol, y se puede considerar que la órbita de halo es una deriva controlada hacia permanecer en las proximidades del punto L 2 . [163] Esto requiere algo de mantenimiento de posición : alrededor2,5 m/s por año [164] del presupuesto total de ∆ v de93m/s . [165] : 10 Dos conjuntos 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 al Sol, todas las operaciones de mantenimiento de posición están diseñadas para alcanzar ligeramente menos de la cantidad de empuje requerida para evitar empujar a Webb más allá del punto L 2 semiestable , un situación que sería irrecuperable. Randy Kimble, científico del proyecto de integración y pruebas del telescopio espacial James Webb, 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 lo queremos". rodar por encima de la cresta y alejarse de él". [167]
Animación de la trayectoria del telescopio espacial James Webb
astronomía infrarroja
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 ve desde la superficie de la Tierra. Sería como mirar un arco iris pero solo ver 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 sucesor del Telescopio Espacial Spitzer . Webb superará con creces a ambos telescopios y podrá ver muchas más estrellas y galaxias mucho más antiguas. [168] La observación 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 oscuros y más fríos. Dado que el vapor de agua y el dióxido de carbono de la atmósfera terrestre absorben fuertemente la mayor parte del infrarrojo, la astronomía infrarroja terrestre se limita a rangos estrechos de longitud de onda donde la atmósfera absorbe con menos fuerza. Además, la propia atmósfera 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 está 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, por lo tanto, los objetos a distancias extremas son más fáciles de ver si se ven en el infrarrojo. [170] Se espera que las capacidades infrarrojas de Webb le permitan ver atrás en el tiempo hasta las primeras galaxias que se formaron apenas unos 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 infrarrojo permiten estudiar 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 galaxias activas . [170]
Los objetos relativamente fríos (temperaturas inferiores a varios miles de grados) emiten su radiación principalmente en el infrarrojo, como lo describe 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 , enanas marrones , planetas tanto en nuestro propio sistema solar como en otros, cometas y objetos del cinturón de Kuiper que serán observados con el Instrumento de Infrarrojo Medio (MIRI). [48] [171]
Algunas de las misiones de astronomía infrarroja que impactaron el desarrollo de Webb fueron Spitzer y la Sonda de Anisotropía de Microondas Wilkinson (WMAP). [172] Spitzer demostró la importancia del infrarrojo medio, que es útil para tareas como observar discos de polvo alrededor de las estrellas. [172] Además, la sonda WMAP mostró que el universo estaba "iluminado" con un desplazamiento 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 de Webb. [172]
Operaciones y apoyo terrestre
El Instituto Científico del Telescopio Espacial (STScI), en Baltimore, Maryland , en el Campus Homewood de la Universidad Johns Hopkins , fue seleccionado en 2003 como Centro Científico y de Operaciones (S&OC) para Webb con un presupuesto inicial de 162,2 millones de dólares destinados a apoyar las operaciones. durante el primer año después del lanzamiento. [173] En esta capacidad, STScI sería responsable de la operación científica del telescopio y la entrega de productos de datos a la comunidad astronómica. Los datos debían transmitirse desde Webb a la Tierra a través de la Red de Espacio Profundo de la NASA , procesarse y calibrarse en STScI y luego distribuirse en línea a astrónomos de todo el mundo. De manera similar a como funciona el Hubble, cualquier persona, en cualquier parte del mundo, podrá presentar propuestas de observaciones. Cada año, varios comités de astrónomos revisarán por pares las propuestas presentadas para seleccionar los proyectos a observar el próximo año. 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 cualquiera pueda descargarlos desde el archivo en línea de STScI. [ cita necesaria ]
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 velocidad sostenida de 5,42 Mbps ). [39] La mayor parte del procesamiento de datos en el telescopio se realiza mediante computadoras convencionales de placa única. [174] La digitalización de los datos analógicos de los instrumentos se realiza mediante el SIDECAR ASIC personalizado (Sistema de digitalización, mejora, control y recuperación de imágenes, circuito integrado específico de aplicación ). La NASA declaró 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 sólo 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 potencia es crucial para mantener la baja temperatura requerida para el funcionamiento óptimo de 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/escritura. [176]
Golpe de micrometeoroides
El segmento del espejo C3 [c] sufrió un impacto de micrometeorito de una gran partícula de polvo del tamaño de una mota de polvo entre el 23 y el 25 de mayo, el quinto y mayor impacto desde su lanzamiento, según se informó el 8 de junio de 2022, lo que obligó a los ingenieros a compensar el impacto utilizando un actuador de espejo. . [178] A pesar del ataque, un informe de caracterización de la NASA afirma que "todos los modos de observación JWST han sido revisados y confirmados como listos para uso científico" a partir del 10 de julio de 2022. [179]
Desde el lanzamiento hasta la puesta en marcha
Lanzamiento
El lanzamiento (denominado vuelo Ariane VA256 ) tuvo lugar según lo previsto 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 desde 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 se lanzó con una velocidad ligeramente inferior a la necesaria para alcanzar su órbita final, y disminuyó su velocidad a medida que se alejaba de la Tierra, para alcanzar L 2 con sólo la velocidad necesaria para entrar en su órbita allí. El telescopio alcanzó 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 podría recuperarse de un subempuje (ir demasiado lento), pero no pudo recuperarse de un sobreempuje (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. alrededor o usar sus propulsores para reducir la velocidad. [187]
Una órbita L 2 es inestable , por lo que JWST necesita usar propulsor para mantener su órbita de halo alrededor de L2 (conocida como mantenimiento de posición ) para evitar que el telescopio se aleje de su posición orbital. [188] Fue diseñado para transportar suficiente propulsor durante 10 años, [189] pero a la precisión del lanzamiento del Ariane 5 y la primera corrección a mitad de camino se les atribuyó el ahorro de suficiente combustible a bordo para que el JWST pudiera mantener su órbita durante unos 20 años. en cambio. [190] [191] [192] Space.com calificó el lanzamiento como "impecable". [193]
Diagrama de Webb dentro de Ariane 5
Ariane 5 y Webb en la plataforma de lanzamiento ELA-3
Ariane 5 que contiene el telescopio espacial James Webb despegando desde la plataforma de lanzamiento
Ariane 5 contiene a Webb momentos después del despegue
Webb visto desde la etapa superior criotécnica ESC-D poco después de la separación, aproximadamente 29 minutos después del lanzamiento. Al fondo de la imagen se ve parte de la Tierra con el golfo de Adén . [194]
Tránsito y despliegue estructural
Cronograma de implementación estructural [50]
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, protector solar y espejos. [196] Casi todas las acciones de despliegue están comandadas por el Instituto Científico del Telescopio Espacial en Baltimore , Maryland, excepto dos primeros pasos automáticos, el despliegue de paneles solares y el despliegue de antenas de comunicación. [197] [198] La misión fue diseñada para brindar 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 horas. EST el 25 de diciembre de 2021, aproximadamente 12 horas después del lanzamiento, el par de cohetes primarios del telescopio comenzaron a disparar durante 65 minutos para realizar la primera de las tres correcciones a mitad de camino planificadas. [200] El segundo día, la antena de comunicaciones de alta ganancia se desplegó automáticamente. [199]
El 27 de diciembre de 2021, 60 horas después del lanzamiento, los cohetes de Webb se dispararon durante nueve minutos y 27 segundos para realizar la segunda de 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 importante protector solar de Webb. El 30 de diciembre de 2021, los controladores completaron con éxito dos pasos más para desembalar el observatorio. Primero, los comandos desplegaron el "flap de impulso" de popa, un dispositivo que proporciona equilibrio contra la presión solar en el parasol, ahorrando combustible al reducir la necesidad de disparar el propulsor para mantener la orientación de Webb. [202]
El 31 de diciembre de 2021, el equipo de tierra extendió los dos "brazos medios" telescópicos desde 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] Las órdenes para separar y tensar las membranas se siguieron entre el 3 y el 4 de enero y tuvieron éxito. [203] El 5 de enero de 2022, el control de la misión desplegó con éxito el espejo secundario del telescopio, que se bloqueó 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 de 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 de babor [206] y el 8 de enero, el ala del espejo de estribor. Esto completó con éxito el despliegue estructural del observatorio. [207] [208] [209]
El día 24 de enero de 2022, a las 14:00 horas. 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 Sol-Tierra . [211] [212]
El instrumento MIRI tiene cuatro modos de observación: imágenes, espectroscopia de baja resolución, espectroscopia de resolución media e imágenes coronagráficas. “El 24 de agosto, un mecanismo que admite espectroscopía de resolución media (MRS) mostró lo que parece ser una mayor fricción durante la preparación para una observación científica. Este mecanismo es una rueda de rejilla que permite a los científicos seleccionar entre longitudes de onda corta, media y larga 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 marcha y pruebas
El 12 de enero de 2022, mientras aún estaba en tránsito, se inició la alineación de los espejos. Los segmentos del espejo primario y el espejo secundario se alejaron de sus posiciones protectoras de lanzamiento. Esto tomó alrededor de 10 días, porque los 132 [214] motores actuadores están diseñados para ajustar las posiciones de los espejos con 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] [40]
La alineación del espejo requiere que cada uno de los 18 segmentos del espejo y el espejo secundario se coloquen dentro de los 50 nanómetros . La NASA compara la precisión requerida por analogía: "Si el espejo primario de Webb fuera del tamaño de los Estados Unidos, cada segmento [del espejo] sería del tamaño de Texas, y el equipo necesitaría alinear la altura de esos segmentos del tamaño de Texas entre sí con una precisión de aproximadamente 1,5 pulgadas". [216]
Animaciones de alineación del espejo 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 del espejo con sus respectivas imágenes, los espejos se inclinan para acercar todas las imágenes a un punto común para su posterior análisis.
La alineación del segmento comienza desenfocando las imágenes del segmento 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 todavía no funcionan juntos como un único espejo.
Apilamiento de imágenes. Para poner toda la luz en un solo lugar, cada imagen de segmento debe apilarse una encima de la otra. En el paso de apilamiento de imágenes, las imágenes de los segmentos individuales se mueven para que caigan precisamente en el centro del campo para producir una imagen unificada. Este proceso prepara el telescopio para una puesta en fase aproximada.
Alineación del telescopio sobre los campos de visión del instrumento. Después de una fina fase, el telescopio está bien alineado en un lugar en el campo de visión de NIRCam. A continuación se debe extender la alineación al resto de instrumentos.
La alineación del espejo fue una operación compleja dividida en siete fases, que se ensayó repetidamente utilizando un modelo del telescopio a escala 1:6. [216] Una vez que los espejos alcanzaron los 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 en qué parte del cielo apuntaba inicialmente cada segmento del espejo principal. [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 de las cuales contenía una imagen de la estrella objetivo. Las 18 imágenes de HD 84406 se comparan con sus respectivos segmentos de espejo, y los 18 segmentos se alinean aproximadamente centrados en la estrella ("Identificación de imagen de segmento"). Luego, cada segmento fue corregido individualmente de sus principales errores de enfoque, utilizando una técnica llamada recuperación de fase , lo que dio como resultado 18 imágenes separadas de buena calidad de los 18 segmentos del espejo ("Alineación de segmentos"). Luego, las 18 imágenes de cada segmento se movieron para que se superpusieran con precisión para crear una sola imagen ("Apilamiento de imágenes"). [216]
Con los espejos colocados para obtener imágenes casi correctas, hubo que ajustarlos hasta su 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 ("Coarse Phasing"), y luego introdujo un desenfoque de luz en la imagen de cada segmento, lo que permitió la detección y corrección de casi todos los restantes. errores ("Fase fina"). Estos dos procesos se repitieron tres veces y la fase fina se comprobará de forma rutinaria durante el funcionamiento del telescopio. Después de tres rondas de fases gruesa y fina, el telescopio quedó bien alineado en un lugar en el campo de visión de NIRCam. Se realizarán mediciones en varios puntos de la imagen capturada, en todos los instrumentos, y se calcularán las correcciones a partir de las variaciones de intensidad detectadas, dando 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 puesta en fase fina y comprobaciones de la calidad de la imagen en todos los instrumentos, para garantizar que se corrigieran los pequeños errores residuales que quedaran en los pasos anteriores ("Iterar alineación para la corrección final"). Luego, los segmentos del espejo del telescopio se alinearon 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 aún no había 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 se habían alineado aproximadamente. [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 significaba que los 18 segmentos trabajaban 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 estaban en curso 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 del segmento
Finalización de la fase 3, que muestra 18 segmentos "apilados" como una sola imagen de HD 84406
Estrella 2MASS J17554042+6551277 [e] capturada por el instrumento NIRCam
Un "selfie" tomado por la NIRCam durante el proceso de alineación
Comparación de imágenes entre el "viejo" Spitzer y el nuevo Webb [228]
Alineación de los sensores del Telescopio Espacial James Webb de NASA/ESA/CSA. [229]
Sensor de guía fina (FGS) de Webb. [230]
Asignación de tiempo de observación
El tiempo de observación de 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 Salida Temprana Discrecional del Director (DD-ERS). [231] 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 mediante revisión por pares realizada por un Comité de Asignación de Tiempo (TAC), similar al proceso de revisión de propuestas utilizado para el Telescopio Espacial Hubble.
Programa de ciencias de salida temprana
En noviembre de 2017, el Instituto de Ciencias 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. [232] [233] Las observaciones para estos programas ( Observaciones de liberación temprana (ERO) [234] [235] ) debían obtenerse durante los primeros cinco meses de operaciones científicas de Webb después del final del período de puesta en servicio. Se concedió un total de 460 horas 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 quásares . Estos 13 programas ERS debían utilizar un total de 242,8 horas de tiempo de observación en el telescopio (sin incluir las observaciones aéreas de Webb y el tiempo de giro ).
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. [249] La selección de los programas GO del Ciclo 1 se anunció el 30 de marzo de 2021, con 266 programas aprobados. Estos incluían 13 grandes programas y programas de tesorería que producían datos para acceso público. [250] El programa GO del ciclo 2 se anunció el 10 de mayo de 2023. [251] Las observaciones científicas de Webb están nominalmente programadas en incrementos semanales. El plan de observación de cada semana lo publica los lunes el Instituto Científico del Telescopio Espacial. [252]
Resultados científicos
El telescopio espacial James Webb completó su puesta en servicio y estaba listo para comenzar sus operaciones científicas completas el 11 de julio de 2022. [253] Con algunas excepciones, la mayoría de los datos del experimento se mantienen privados durante un año para el uso exclusivo de los científicos que ejecutan ese experimento en particular, y luego el Los datos sin procesar se harán públicos. [254]
Hubble (2017) comparado con Webb (2022) [255] [256]
Las primeras imágenes a todo color y datos espectroscópicos se publicaron el 12 de julio de 2022, lo que también marcó el comienzo oficial de las operaciones científicas generales de Webb. El presidente de los Estados Unidos , Joe Biden, reveló la primera imagen, el primer campo profundo de Webb , el 11 de julio de 2022. [257] [258] Los lanzamientos adicionales en esta época incluyen: [261] [262] [263]
Nebulosa Carina : región joven de formación de estrellas llamada NGC 3324 a unos 8500 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.
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 de fondo distantes cuyas imágenes están distorsionadas y ampliadas debido a la lente gravitacional del cúmulo. Esta imagen ha sido denominada Primer campo profundo de Webb . Más tarde se descubrió que en esta imagen 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 telescopio espacial James Webb, 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 describe una serie de observaciones durante la puesta en servicio, cuando los instrumentos capturaron espectros de exoplanetas en tránsito con una precisión superior a 1000 ppm por punto de datos, y rastrearon objetos en movimiento con 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: [26]
Interferometría de enmascaramiento de apertura (AMI) de NIRISS : una detección clara de la estrella compañera de muy baja masa AB Doradus C, que tenía una separación de sólo 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 de Webb, varios artículos preimpresos describieron una amplia gama de galaxias muy luminosas (presumiblemente grandes) y de alto corrimiento al rojo que se cree que datan de 235 millones de años (z=16,7) a 280 millones de años después del Big Bang, mucho antes. de lo que se conocía anteriormente. [234] [235] El 17 de agosto de 2022, la NASA publicó una gran imagen en mosaico de 690 cuadros individuales tomados por la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) en Webb de numerosas galaxias muy tempranas. [268] [269] Algunas galaxias tempranas observadas por Webb como CEERS-93316 , que tiene un desplazamiento al rojo estimado de aproximadamente z=16,7 correspondiente a 235,8 millones de años después del Big Bang , son candidatas a galaxias con alto corrimiento al rojo. [270] [271] En septiembre de 2022, se propuso que los agujeros negros primordiales explicasen estas galaxias inesperadamente grandes y tempranas. [272] [273] [274]
Observaciones e interpretaciones posteriores notables
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. [275]
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 estelar en el complejo de nubes Rho Ophiuchi , a 390 años luz de distancia. [276]
En septiembre de 2023, dos astrofísicos cuestionaron el modelo estándar de cosmología aceptado , basado en los últimos estudios del telescopio espacial James Webb. [277]
En diciembre de 2023, la NASA publicó imágenes relacionadas con las vacaciones navideñas de JWST, incluido el cúmulo de galaxias del árbol de Navidad y otros. [278]
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. [25] Durante la puesta en servicio se observaron varios asteroides para determinar el límite real de velocidad de los objetos y resultó ser 67 masas/s, que es más del doble del valor nominal. El seguimiento a velocidades de 30 a 67 mas/s mostró precisiones similares al seguimiento de objetivos más lentos. De este modo, el telescopio también puede observar asteroides cercanos a la Tierra (NEA), cometas más cercanos al perihelio y objetos interestelares . [26] : 8 Más tarde, después de adquirir 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 bajo pedido especial, ya que FGS necesita múltiples estrellas guía para este fin, lo que introduce complejidad e ineficiencia. La primera observación a una velocidad súper rápida fue el experimento de impacto DART el 26 de septiembre de 2022. [27]
^ "Desconcertado", en este contexto, significa encerrado en un tubo de manera similar a un telescopio óptico convencional , lo que ayuda a evitar que la luz parásita ingrese 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 Sociedad de Ingenieros de Instrumentación Fotoóptica (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.
^ El segmento del espejo C3 está ubicado en el anillo exterior de segmentos, ubicado en el número de las '5 en punto' de la esfera del reloj , cuando se mira el espejo principal de frente. [177]
↑ 2MASS J17554042+6551277, también conocida como UNSW-V 084 y TYC 4212-1079-1, [226] es una estrella en la constelación de Draco , en la Vía Láctea . Se encuentra a casi 2.000 años luz de la Tierra , a un grado del polo norte de la eclíptica . Su magnitud aparente visual m v es 10,95, lo que la hace demasiado débil para observarla a simple vista. Es más fría que el Sol , pero entre 13 y 16 veces más brillante en luz visible [227] y, en consecuencia, no es una estrella similar al Sol . Su vector de movimiento en dirección al Sol es de 51 km/s. [226]
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enlaces externos
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el telescopio espacial James Webb.
Sitio web oficial de NASA / STScI / ESA / francés
JWST NASA - Página de seguimiento - Lanzamiento a calibraciones finales (y más)
JWST NASA - Acerca de la página - Detalles de la línea de tiempo / Órbita de Webb / L2 / Comunicando
Lista cronológica de descubrimientos del telescopio James Webb
Texto JWST – Eventos más críticos – Lanzamiento e implementación (2021)
Video JWST (012:02): 1.er mes: lanzamiento e implementación (animación; 2017)
Video JWST (008:06): 1.er mes: lanzamiento e implementación (actualización; 2021)
Vídeo JWST (003:00): 2.º mes: detalles de alineación del espejo (11/02/2022)
Vídeos de JWST (Mission Control Live): eventos de implementación, ahora completados con éxito (2022):
LANZAMIENTO (005:07; 25 de diciembre de 2021) ⇒ SEPARACIÓN (003:14; 25 de diciembre de 2021) (espejo) ⇒ Telescopio espacial James Webb: Despliegue del protector solar – Control de misión Live SUNSHIELD (152:45; 4 de enero de 2022) ⇒
Telescopio espacial James Webb: Despliegue del espejo secundario – Mission Control Live SECUNDARY MIRROR (087:15; 05 de enero de 2022) ⇒ Telescopio espacial James Webb: Despliegue del espejo primario – Mission Control Live PRIMARY MIRROR (242:29; 08 de enero de 2022) ⇒ Actualización de noticias sobre el despliegue completo del telescopio espacial James Webb DESPLIEGUE FINAL (085:15; 08 de enero de 2022) ⇒
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Medios relacionados con imágenes del telescopio espacial James Webb en Wikimedia Commons
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