Astronomia Proxima Decada

Captulo 1Astronoma en la proxima decada.Del Hubble al Telescopio EspacialJames Webb

Juan Rafael Martnez Galarza

Universidad de Leiden, Pases Bajos.

C uatrocientos anos despues de las primeras observaciones telescopicas de Galileo, sera difcilpensar en la astronoma moderna sin los instrumentos que utilizamos en la actualidad paraestudiar los cuerpos del Universo, desde los planetas de nuestro Sistema Solar, nuestros masproximos vecinos en terminos cosmicos, hasta las galaxias mas remotas del Universo temprano.En particular, la generacion de telescopios puestos en orbita que comenzo con el TelescopioEspacial Hubble a principios de los anos 90s y que se extiende en la siguiente decada con elTelescopio Espacial James Webb, ha aportado en veinte anos de descubrimientos mas datosastronomicos que todos los telescopios que les precedieron juntos. Pero, que es un telescopioespacial? Por que la humanidad se ha aventurado a instaladar observatorios astronomicos enel espacio, con los costos y riesgos que ello implica? Con el reciente lanzamiento del TelescopioEspacial Herschel y la puesta a punto del Telescopio Espacial James Webb, con una fecha delanzamiento prevista para el final de la decada, estas preguntas no podran ser mas pertinentespara la astronoma contemporanea.

1.1. Que es un telescopio espacial?

Podemos pensar en un telescopio espacial de dos maneras: como un satelite artificial adap-tado para hacer observaciones astronomicas, o como un telescopio adaptado para hacer observa-

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2CAPITULO 1. ASTRONOMIA EN LA PROXIMA DECADA. DEL HUBBLE AL TELESCOPIO ESPACIAL JAMES

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ciones desde el espacio. Cualquiera que sea la definicion que adoptemos, un telescopio espacialcomo el Hubble (luz visible), el Spitzer (infrarrojo cercano), el Chandra (rayos X) o el Obser-vatorio Espacial Herschel (infrarrojo lejano), tienen una serie de elementos en comun. Comocualquier instrumento astronomico moderno, un telescopio espacial cuenta con un sistema op-tico, descendiente directo de los pequenos lentes usados por Galileo, que le permite recolectarla luz proveniente de los cuerpos astronomicos. El principal elemento optico en los telescopiosmodernos es el espejo principal, una superficie concava reflectora que enfoca la luz y la dirigehacia un plano focal donde se forma la imagen y donde se lo calizan los instrumentos cientficos.Si pensamos en el telescopio como un ojo humano, el espejo principal sera el cristalino, y losinstrumentos opticos la retina. Son estos instrumentos los que registran la radiacion recibida yla almacenan como datos astronomicos, para su analisis cientfico. Finalmente, un conjunto deinstrumentos de comunicaciones se encarga de enviar los datos recolectados a los astronomos enla Tierra.

Cuando a mediados del siglo XX Lyman Spitzer propuso por primera vez la instalacion deun telescopio en el espacio, la comunidad cientfica lo tomo como una propuesta descabellada. Nosolo por los enormes costos que significaba lanzar al espacio miles de kilogramos de instrumentosopticos y electronicos, sino por el aun mas ambicioso reto tecnico que ello implicara. El telescopiono solo tendra que sobrevivir al lanzamiento en un cohete cargado de combustible, sino queademas cada uno de sus componentes tendra que funcionar a la perfeccion para garantizar datosastronomicos de calidad. As que la pregunta mas natural que se hicieron los astronomos de laepoca fue: por que lanzar un telescopio al espacio si podemos hacer observaciones astronomicasdesde la Tierra? En la respuesta a esa pregunta esta no solo la esencia de la astronoma hechadesde el espacio, sino tambien el secreto de la era de oro de la ciencia del Universo.

La primera razon para lanzar un observatorio al espacio tiene que ver con la absorcion deradiacion electromagnetica por parte de la atmosfera terrestre. Si bien nuestra atmosfera estransparente para la luz visible que detenctan nuestros ojos, no es este el unico tipo de radia-cion que producen los cuerpos astronomics. Por ejemplo, la radiacion de estrellas masivas reciennacidas calienta los granos de polvo presentes en el medio interestelar, y estos a su vez emitenesta energa en forma de radiacion infrarroja invisible al ojo humano. Esta radiacion infrarrojaes absorbida y dispersada por las moleculas de gas en la atmosfera y no alcanza nuestros teles-copios terrestres, y por lo tanto solo podemos tener acceso a ella si observamos desde el espacio.En la Figura 1.1 ilustramos la absorcion de la atmosfera en diferentes regiones del espectro.Mientras que la luz visible, indicada por los colores del arco iris, y las ondas de radio atraviesanla atmosfera y pueden ser detectadas en tierra, las indas infrarrojas y los rayos X son absorbidosy nunca nos alcanzan. Es all donde los telescopios espaciales juegan un papel importante.

La atmosfera no solo absorbe y dispersa la radiacion electromagnetica, sino que ademasla distorsiona. Los movimientos aleatorios de las moleculas de aire deforman las imagenes quenos llegan del espacio, y que de otra manera sera detectadas de manera mas ntida por lostelescopios en tierra. La distorsion de una imagen debida a la turbulencia atmosferica se conoce enastronoma como seeing. Aunque la ultima generacion de telescopios terrestres, tales como el Very

1.1. QUE ES UN TELESCOPIO ESPACIAL? 3

Figura 1.1: Opacidad de la atmosfera para diferenets longitudes de onda. Las ventanas a traves de las cuales la radiacionnos alcanza en la tierra se reducen a la luz visible y las ondas de radio. Los telescopios espaciales cubren los demas rangos.Credito NASA.

Large Telescope (VLT), incluyen tecnologas que corrigen este tipo de distorsion mediante espejosdeformables que compensan el seeing, la optica adicional necesaria es costosa y complicada, ypor supuesto solo funciona en aquellas longitudes de onda que logran atravesar la atmosferaterrestre. La imagen 1.2 revela la notable diferencia en la calidad y la resolucion de una imagenhecha desde el espacio, en comparacion con la misma observacion hecha en tierra. Las zonas rojasen esta imagen de la galaxia M83 se deben a la emision de radiacion por parte del gas ionizado,producto del intenso campo de radiacion de estrellas masivas que se han formado recientemente.

Otra justificacion para lanzar un telescopio espacial tiene que ver con el hecho de que granparte de las observaciones astronomicas que son de relevancia para la astrofsica actual, debenhacerse en la region infrarroja del espectro electromagnetico. Los objetos que son mas brillantesen luz infrarroja son aquellos con temperaturas entre 20 y 600 grados Kelvin. Esto correspondejustamente con la temperatura a la que se encuentran mucho objetos en la Tierra, y de hecho elSol mismo es una fuente muy intensa de radiacion infrarroja, y por lo tanto de interferencia paranuestras observaciones astronomicas. Conviene entonces lanzar el telescopio a una region dondeel Sol y la Tierra no sean una fuente de interferencia para las observaciones, es decir, a un lugarfrio. Esto se logra, por ejemplo, en el llamado punto de Lagrange numero 2 (L2), que correspondea un punto de equilibrio en la gravedad del sitema Sol-Tierra. Para un objecto colocado cerca deL2, la Tierra y el sol estan siempre en la misma direccion, as que la calibracion y la proteccioncontra posibles interferencias es mucho mas facil. El Telescopio Espacial Herschel, por ejemplo,se encuentra en este lugar priviliegiado, y hacia all tambien sera lanzado el Telescopio EspacialJames Webb al final de la decada.

En terminos puramente observacionales, lo que buscamos con cada nuevo telescopio espaciales aumentar la sensitividad con que observamos el Universo. Esto se traduce en objectos cada vezmenos brillantes que nuestros instrumentos traen al alcance de nuestra capacidad analtica. Estosobjetos pueden ser lejanas galaxias en proceso de formacion, u objetos mas cercanos que por


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Figura 1.2: Comparacion en la resolucion de la galaxia M83, para un telescopio en Tierra y el telesocpio espacial Hubble.Notese el gran detalle con que se observan las zonas oscuras donde la radiacion de estrellas recien formadas es absorbidapor el polvo interestela. Credito: NASA, ESA

naturaleza son opacos, como es el caso de los planetas extrasolares. En epocas pre-telescopicas,nuestra sensitividad observacional estaba limitada por la capacidad de nuestro ojo humano. Casiningun objeto fuera de nuestra galaxia era visible a los ojos de los hombres anteriores a Galileo,e incluso la gran mayora de la estrellas de la galaxia eran invisibles desde la Tierra. Con lapaulatina introduccion de instrumentos mas poderosos, nuestros ojos ya no fueron el lmite. As,Galileo logro observar con su telescopio objetos que eran casi 100 veces menos brillantes quelas estrellas visibles a simple vista. La deteccion fotografica en la primera mitad del siglo XXpermitio la deteccion de objetos un millon de veces menos brillantes que las estrellas que vemosen la noche mas lmpida de Villa de Leyva. Y con el Telescopio Espacial Hubble, hoy en dapodemos observar objetos que son 10 mil millones de veces menos brillantes. La historia no sedetiene all. El sucesor del Hubble, el Telescopio Espacial James Webb, podra observar objetosque son mil veces menos brillantes que aquellos observados por el Hubble.

Se han expuesto aqu hasta ahora las razones para poner un telescopio en el espacio, ascomo algunos de los retos tecnicos que ello implica. Hablemos ahora de los costos. Cual es elcosto de enviar un observatorio astronomico al espacio y de mantenerlo en operacion por variosanos? En la actualidad ninguna nacion en solitario puede asumir los gastos de una operacionde esta talla, y quienes han puesto hasta el momento telescopios en el espacio son consorcios denaciones en lugar de pases individuales. En el caso del Telescopio Espacial James Webb, porejemplo, quien financia los costos es un consorcio compuesto por los Estados Unidos, Europa yCanada. Mientras los Estados Unidos son responsables del emsamblaje de todo el telescopio y

1.2. EL TELESCOPIO ESPACIAL HUBBLE HOY 5

de la mayora de instrumentos, Europa provee uno de los instrumentos y sera responsable por lapuesta en orbita del telescopio. Canada esta a cargo de los sensores que le permitiran al telescopioapuntar con exactitud hacia sus objetivos de estudio. El costo total de la mision, incluyendo eldiseno, la construccion y la operacion por 10 anos es de 4500 millones de dolares. Esto es lo quecostara alimentar a 500 mil familias colombianas a lo largo de un ano. Y entonces surge unapregunta natural: vale la pena que las naciones gasten recursos en este tipo de proyectos? Estecaptulo busca convencer al lector de que la respuesta a esa pregunta es afirmativa.

1.2. El Telescopio Espacial Hubble Hoy

Tras mas de 20 anos en el espacio, el Telescopio Espacial Hubble, el primero en la serie deobservatorios en el espacio, continua vigente. En la actualidad los astronomos del mundo siguenutilizando el Hubble para sus investigaciones, y grandes descubrimientos recientes se han hechocon su ayuda, como por ejemplo la reciente deteccion de una galaxia temprana que exista yacuando el universo tena apenas 480 millones de anos, es decir, menos del 4% de su edad actual.El descubrimiento tiene implicaciones profundas en cuanto a las teoras aceptadas que explicanla formacion de las primeras galaxias.

Este es solo un ejemplo de los miles de descubrimientos que se han efectuado con el Hubble,aun despues de dos decadas de funcionamiento, lo cual demuestra cuan efectivo y cientficamenteprovechosos puede ser la instalacion de un telescopio espacial. Por supuesto, el Hubble tiene laventaja de no necesitar aislamiento termico, pues se trata de un telescopio que observa en luzvisible, y por lo tanto no se encuentra en el lejano punto L2, sino en orbita alreadedor de laTierra, a 300 kilometros de altura. A esta distancia, es facilmente accesible por el transboradorespacial y por astronautas que pueden repararlo y actualizarlo. La ultima de estas misiones paraactualizar el Hubble tuvo lugar en la primera mitad de 2009, y fue durante esta mision que seinstalaron los ultimos y mas modernos instrumentos para el telescopio: una camara de campoancho, que puede captar una region considerablemente grande del cielo con gran sensitividad,y un espectrografo de media resolucion en el ultravioleta que, mediante la descomposicion dela luz en sus diferentes energas, permite el estudio de las condiciones fsicas que permitireon elorgen de estructuras en el Universo temprano, entre otros objetivos cientficos.

La Figura 1.3 muestra cuatro ejemplos de imagenes captadas con la camara recientementeinstalada, que son ademas ejemplos de diversos objetos astronomicos a cuatro escalas diferentes:

En la primera de las imagenes se observa la nebulosa planetaria NGC 6302, un intrincadopatron de luz cuya extension hace recordar las alas de una mariposa, y que se originocuando una estrella moribunda (en el centro) expulso sus capas exteriores de gas y lasilumino con los ultimos fulgores de su luz moribunda. La forma de mariposa se debe a larotacion de la estrella y a los campos magneticos asosiados a ella.

La segunda imagen en la parte superior muestra el denominado quinteto de Stephan, enhonor de su descubridor. Se trata de un conjunto de galaxias unidas gravitacionalmente


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que interactuan y se deforman mutuamente debido a sus masivas estructuras espiralesen interaccion. El quinteto es un impresionante ejemplo de interaccion galactica y ofreceluces acerca de como las colisiones de galaxias influyen en la evolucion de cada galaxia porseparado.

La parte inferior de la imagen, a la izquierda, muestra la parte central del cumulo globularOmega Centauri, una gigante coleccion estrellas cuya masa total es de aproximadamente5 millones de veces la masa de nuestro sol, y que se formaron juntas en la periferia denuestra galaxia hace 12 mil millones de anos, muy temprano en la historia del Universo.Los diversos colores de los puntos brillantes se deben a diferentes estado evolutivos de lasestrellas qe conforman este cumulo.

Finalmente, el ultimo panel de la imagen muestra una gran columna de gas interestelar enla nebulosa de Carina, en el centro de la cual la formacion de nuevas estrellas esta teniendolugar.

Figura 1.3: El Telescopio Espacial Hubble ha contribuido a todos los campos de la astronoma, desde la formacion deestrellas hasta el ensamblaje de las primeras galaxias. Credito NASA..

1.3. LOS APORTES DEL TELESCOPIO ESPACIAL HUBBLE 7

El Telescopio Hubble no actua solo, sino en feliz coordinacion con sus hermanos en orbita. Laimagen 1.4 muestra la region del centro de nuestra Va Lactea observada simultaneamente portres grandes telescopios puestos en el espacio: el Hubble (luz visible), el Spitzer (luz infrarroja)y el Chandra (rayos X). Cada telescopio nos proporciona observacion unica y diferente sobre loque sucede en la region central de nuestra galaxia. Mientras los rayos X nos indican eventos dealta energa asociados con colisiones estelares o agujeros negros cerca del centro de la galaxia,la luz infrarroja nos da una idea de cuanto polvo interestelar existe en esta region del Universo,y de cuantas estrellas se forman all actualmente. No deja de ser cientficamente relevante quesucedan eventos de formacion estelar en el centro de nuestra galaxia, ya que el centro galacticoes una region perturbada por la presencia de un agujero negro masivo, y en general esperaramosque la formacion estelar de la galaxia tuviera lugar en regiones mas exteriores de la galaxia.

Figura 1.4: El centro de nuestra galaxia fotografiado por tres telescopios espaciales. Diferentes procesos fsicos son eviden-ciados en diferentes longitudes de onda. Credito NASA.

1.3. Los aportes del Telescopio Espacial Hubble

Repasemos algunos de los descubrimientos en los que el Hubble ha sido protagonista, y quecubren un amplio conjunto de escalas, desde nuestros vecinos en el Sistema Solar, hasta lasestructuras mas grandes y fundamentales del Universo, a nivel cosmologico. Tal vez uno de loshallazgos mas relevantes que el Hubble ha permitido es el descubrimiento de supernovas tipoIa en galaxias lejanas. Este tipo de supernovas son el producto de la explosion de una enanablanca y tienen la particularidad de mostrar una curva de luz muy definida y bien estudiada.Puesto que sabemos que tan brillantes son estas explosiones intrnsicamente, podemos saber quetan lejos suceden con tan solo medir su brillo aparente, de la misma manera en que podramosestimar la distancia de un automovil que se acerca en la noche si conocemos la potencia de sus


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luces. Esto ha permitido determinar con gran precision la distancia a galaxias muy lejanas, queya formaban estrellas en su interior cuando el Universo tena apenas el 10% de su edad actual.

Al relacionar la distancia a estas galaxias con la velocidad a la que se alejan de nosotros,podemos estudiar en detalle el comportamiento de la expansion del Universo. Los datos aportadospor el Hubble han permitido determinar que la expansion del Universo se esta acelerando, y quepor lo tanto debemos revisar nuestras teoras cosmologicas, pues para que el Universo se expandaha de existir una densidad negativa de energa que contrarreste la tendencia de la gravedada contraer el Unvierso. A esa densidad negativa de energa la llamamos la energa oscura, ymerecera un captulo entero, as que aqu no la discutiremos en detalle.

Figura 1.5: Historia de formacion estelar en el universo. Credito NASA.

La historia de como se forman las estrellas al interior de las galaxias, y de como la formacionestelar ha evolucionado a traves de la histira cosmica es otra historia que el Hubble nos ha ayu-dado a contar. Antes del Hubble los astronomos ya haban inferido que en el Universo tempranose formaban estrellas a una tasa mas alta que aquella a la que se forman actualmente. En otraspalabras, en el Universo temprano se formaban muchas mas estrellas que en la actualidad. Sinembargo, es imposible pensar que la tasa de formacion estelar se incrementa indefinidamentehacia atras en el tiempo, pues esto significara que el Universo ya formaba estrellas en epocasmuy tempranas, cuando aun no se haba formado ningun tipo de estructura. Debio existir unmomento en la historia del Universo donde la tasa de formacion estelar alcanzo un maximo.Mediante observaciones de galaxias distantes con actividad de formacion estelar en su interior,los astronomos han determinado que ese maximo ocurrio cuando la edad del Universo era entre500 millones de anios y 1000 millones de anos (Fig. 1.5), mucho antes de lo que originalmente sepensaba. Esto supone un modelo completamente nuevo de la historia del Universo, y para very entender esas primeras estrellas tendremos que esperar al lanzamiento del Telescopio Espacial

1.3. LOS APORTES DEL TELESCOPIO ESPACIAL HUBBLE 9

James Webb.

En el centro de nuestra galaxia, la Va Lactea, existe una agujero negro con una masaequivalente a 4 millones de soles. De hecho, agujeros negros supermasivos parecen exisitir enlos densos nucleos de la mayora de las galaxias espirales. Esto lo sabemos en parte gracias alTelescopio Hubble, que observo una muestra considerable de galaxias y establecio que existeuna relacion entre la masa total del las galaxias y el tamano del agujero negro en su centro.Estos monstruos gravitacionales juegan un papel muy importante en la evolucion galactica, yson probablemente el motor que proporciona la mayor parte de su energa radiativa. Sin supresencia sera muy difcil explicar los movimientos de las estrellas cerca del centro galactico, ola naturaleza de los nucleos activos de galaxias, donde una gran cantidad de energa gravitacionales convertida en radiacion de alta energa.

Figura 1.6: Deteccion de un planeta extrasolar.

Hablemos ahora de escalas mas pequenas, y pasemos de las galaxias inmensas a los milesde planetas que pululan en su interior. El descubrimiento de planetas extrasolares, es decir,planetas orbitando estrellas diferentes al Sol, es probablemente la ultima gran revolucion dela astronoma. En la actualidad sabemos de mas de 500 planetas extrasolares confirmados, yen algunos de ellos ya empezamos a estudiar su composicion, su densidad y su temperatura.Muy pronto sabremos que tan comunes son los planetas como la Tierra en nuestra galaxias. ElHubble, tambien en este campo, ha tenido un papel protagonico.

La Figura 1.6 muestra una imagen sorprendente: se trata de la estrella Fomalhaut, la masbrillante de la constelacion Piscis Austrinus, rodeada por un disco de polvo claramete visibleen esta imagen lograda por el Hubble. En el borde interior de este disco de polvo se puede verclaramente, en dos momentos diferentes, un planeta que orbita a Fomalhaut y que ademas esresponsable por la forma del disco de polvo. Fomalhaut es mucho mas joven que nuestro Sol,con aproximadamente 200 millones de anos. A esta edad, ya el proceso de formacion planetaria


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ha terminado, y el disco de polvo que vemos es seguramente el producto de colisiones entreplanetoides a medida que los planetas se formabam. El sistema de Fomalhaut puede ensenarnosmucho acerca del proceso como se formo nuestro propio sistema solar, hace unos 5000 millonesde anos.

Pero dejemos al Hubble en su constante orbita de descubrimientos alrededor de la Tierra, yocupemonos ahora de algunos de sus dignos sucesores.

1.4. El Observatorio Espacial Herschel

En mayo de 2009 fue lanzado al espacio por la Agencia Espacial Europea el Observatorio Es-pacial Herschel, junto con su hermano, el Observatorio Planck. Nos ocuparemos en este captulosolamente del primero, bautizado en honor del gran astronomo y musico aleman, nacionalizadobritanico, que construyo el telescopio mas grande de su tiempo y descubrio el primer planetanuevo, Urano, iniciando as la era de las ciencias planetarias.

Algo verdaderamente revolucionario acerca de este telescopio es que observa por primeravez en un rango del espectro electromagnetico que nunca antes habamos observado, entre la luzinfrarroja detectada por Spitzer, y la radiacion submilimetrica detectada por algunos radiote-lescopios.

A diferencia del Hubble, Herschel es un telescopio capaz de detectar luz infrarroja de muybaja energa, tpica de cuerpos cuyas temperaturas estan por debajo de los 250 grados bajo cero,es decir, cuerpos aun mas fros que las pequensimas partculas de polvo interestelar alrededorde estrellas jovenes. En lugar de estas pequenas partculas, Herschel puede detectar partculascuyos tamanos son cercanos a un milmetro, y que se encuentran en las partes mas exterioresde los discos que rodean estrellas en formacion, y tambien en discos de escombros, como el quese ve alrededor de Fomalhaut. Si bien estas partculas son mas fras, contienen la mayor partede la masa del polvo interestelar, y por lo tanto Herschel esta en proceso de censar la cantidadtotal de polvo interestelar a varias escalas. Ademas, Herschel estudia las propiedades de lasnubes frias de gas molecular que son la primera etapa en el proceso de formacion estelar, yrealiza observaciones de moleculas muy importantes para la qumica de la formacion planetaria,incluida el agua. Ninguna de estas observaciones es posible con el Hubble, que observa cuerposmucho mas calientes.

Para lograr estos objetivos cientficos y todos los demas que se ha trazado, Herschel cuentacon una vida mucho mas corta que el tiempo de vida del Hubble, con un tiempo nominal deoperacion de entre tres y cinco anos. La razon es que, siendo un telescopio infrarrojo, debe serenfriado a una temperatura de 85 grados por encima del cero absoluto, y el sistema que logra esteenfriamiento se basa en una cantidad fija de Helio que se agotara una vez pasado este tiempo.Puesto que ademas el telescopio se encuentra en el punto L2, a 1.5 millones de kilometros de laTierra, es imposible tener acceso para actualizaciones o reparaciones.

El espejo primario de Herschel, su area colectora de luz, tiene un diametro de 3.5 metros,

1.4. EL OBSERVATORIO ESPACIAL HERSCHEL 11

Figura 1.7: Una concepcion artstica del Observatorio Espacial Herschel. Credito ESA.

lo cual hace de Herschel el telescopio mas grande jamas lanzado al espacio (en comparacion,el espejo del Hubble tiene apenas 2.5 metros, y el de Spitzer, otro telescopio infrarrojo, apenas85 centmetros). Ademas, tambien lleva a bordo el primer espectrografo de campo integral quese haya puesto en el espacio: PACS, por sus siglas en ingles. Este tipo de espectrografo escapaz de captar al mismo tiempo la informacion espacial y espectral de un objeto. En palabrasmas simples, esto significa que cada fotografa que tomamos con PACS es en realidad muchasfotografas, una para cada tipo de luz en el rango detectado por Herschel. Esto es extremadamenteutil, pues ahorra mucho tiempo en la recoleccion de datos.

La Figura 1.8 muestra una imagen obtenida con Herschel. Se trata de la galaxia M51,conocida como la galaxia remolido, debido a su majestuosa estructura espiral. M51 ha sido objetode multiples estudios en estronoma infrarroja, ya que reune todos los ingredientes de una tpicagalaxia espiral: una estructura definida, un nucleo denso, y brazos espirales poblados de zonasde formacion estelar. De hecho, M51 ha sido el prototipo para entender como la cantidad depolvo y gas en una galaxia normal determinan la cantidad de formacion estelar que all sucede.


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Hershel nos permite observar claramente las regiones fras de M51 donde comienza la historiade las estrellas. Los puntos azules son los sitios mas calientes donde el colapso gravitacional queforma nuevas estrellas ha comenzado.

Figura 1.8: Imagen de la galaxia espiral M51 cone el telescopio Herschel.

1.5. Un Coloso Frio en el Espacio

Pero lo mas emocionante esta aun por venir. En la segunda mitad de la decada, un telescopioespacial de dimensiones ineditas, el objecto mas grande lanzado al espacio en una sola pieza, serapuesto en orbita, en un esfuerzo conjunto de NASA, la Agencia Espacial Europea y la AgenciaEspacial Canadiense. Con un espejo principal de 6.5 metros de diametro y la envergadura deun avion comercial, el Telescopio Espacial James Webb revolucionara una vez la astronomamoderna. Una vez abra su ojo hacia los misterios del Universo, Webb vera mucho mas lejos queningun otro telescopio en el pasado, y sus investigaciones nos permitiran responder preguntascomo: Cuando exactamente se formaron las primeras estrellas en el Universo y como eran? Deque estan compuestos y que tan comunes son los planetas extrasolares similares a la Tierra?Como se formaron las primeras galaxias?

El Telescopio Espacial James Webb esta actualmente en construccion. La mayor parte dela estructura se encuentra en los Estados Unidos, pero algunas partes fundamentales, includoel mas complejo de sus instrumentos, ha sido ensamblado en Europa. En los proximos doso tres anos el telescopio sera ensamblado en una sola pieza antes de ser montado en lo masalto de un cohete Ariane 5, con un lanzamiento previsto no antes de 2016. Webb reune lascaractersticas de deteccion infrarroja de Herschel y Spitzer, pero se considera el sucesor delTelescopio Espacial Hubble, ya que observara tambien en luz infrarroja cercana, en longitudesde onda que tambien Hubble observa en la actualidad. La importancia del telescopio Webb es

1.5. UN COLOSO FRIO EN EL ESPACIO 13

tal, que NASA ha decidido separar su presupuesto del resto de presupuesto de la agencia, paragarantizar su financiamiento.

Lanzar al espacio un telescopio del tamano de un avion no es asunto facil. El primer problemaes hacerlo caber dentro de un cohete que tiene un tamano fijo. El cohete en funcionamiento conmayor capacidad es el Ariane 5, de la Agencia Espacial Europea, pero ni siquiera este vehculo eslo suficientemente grande para transportar una carga del tamano de Webb. La solucion es enviarel telescopio en una configuracion mas compacta, que se transformara en su configuracion deobservacion una vez llegue al punto L2. El despliegue de los diferentes componentes del telescopioen el espacio es uno de los retos tecnicos mas difciles de la mision. Esta es tambien una de lasrazones por las cuales el espejo principal del Telescopio Webb no sera en una sola pieza, sinoque sera una coleccion de telescopios hexagonales mas pequenos (ver Figura. 1.9), como los queya se usan para los grandes telescopios en tierra.

Figura 1.9: Fotografa de algunos ingenieros con espejos del telescopio. Credito NASA

Webb llevara a bordo tres instrumentos: una camara y un espectrometro en el infrarrojocercano, y un complejo instrumento del infrarrojo medio, construdo en Europa, que consistede una camara, un espectrometro y un coronografo. Este ultimo compoenente es una mascaraque bloquea la luz de una estrella para hacer observaciones detalladas de sus inmediaciones,donde pueden estar ocultos, por ejemplo, planetas extrasolares. Con estos instrumentos, Webbsera el primer telescopio en caracterizar las superficies y las atmosferas de planetas extrasolares,y tambien el primero en detectar la luz de la epoca de reionizacion del Universo, cuando losfotones emitidos por las primeras estrellas de la historia excitaron el gas neutral del Universoprimigenio.

Para tener una idea de la evolucion de los telescopios espaciales durante las ultimas dosdecadas, en la Figura 1.10 mostramos una comparacion en el tamano de los espejos principalesde los espejos principales de los tres telescopios que hemos presentado en este captulo, y tambien


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una representacion de las longitudes de onda en que cada telescopio observa el Universo. Comovemos, en comparacion con Hubble, no solo el area colectora de Webb sera mucho mayor, sinoque ademas el espectro de energas que podra observar, y por lo tanto el rango de fenomenosfsicos que lograra observar.

Figura 1.10: Comparacion en el tamano de los espejos y la cobertura en longitudes de onda de los diferentes telescopios.Credito NASA/ESA.

La diferencia en el tamano del espejo se traduce en la profundidad con la que Webb podraobservar las zonas remotas del Universo. En la Figura 1.11 se aprecia una comparacion entre laimagen mas profunda realizada con el Hubble y una simulacion que representa la sensitividadesperada con el Telescopio Webb. Cada punto brillate en la imagen corresponde a una galaxialejana. Ningun otro instrumento en el futuro podra ver mas lejos que Webb, y esto no se debea que nuestra tecnologa se quede estancada en un punto, sino a que Webb sera capaz dever las primeras galaxias que se formaron en la historia del Universo. Mas alla no hay masgalaxias, sino la edad oscura en la que aun no se haban formado fuentes luminosas y el Universoera electricamente neutro y radiativamente inactivo. Y aun mas atras solo esta el fondo demicroondad que es el eco del Big Bang. Con Webb estaremos cruzando un umbral no solo ennuestra capacidad tecnologica, sino tambien en la historia del Universo.

Finalizamos este captulo con un breve recuento de los cuatro principales objetivos cientficosdel Telescopio Espacial James Webb, que son ademas los cuatro grandes pilares en que se basarala astronoma observacional de esta decada.

La primera luz.

Los primeros 500 millones de anos en la historia del Universo fueron sin duda muy emocio-nantes. Auque cubren solo el 4% de la edad del Universo, fue durante ese periodo que sedecidio cual sera la estructura del Universo, con todos sus cumulos de galaxias, galaxias,estrellas y planetas. Tras el momento inicial del Big Bang y el perodo llamado de inflacion,


Figura 1.11: Comparacion emtre una imagen obtenida por el telesocpio Hubble y una simulacion de lo que se cree observarael telescopio James Webb. Credito NASA.

la temperatura descendio hasta que el plasma de partculas cargadas que era el Universose convirtio en atomos de hidrogeno y helio, y los fotones se descoplaron de la materia.El Universo se hizo transparente y electricamente neutro, y solo despues de un tiempo,tras el colapso del gas primigenio perturbado por variaciones de temperatura y densidad,empezaron a formarse las primeras estrellas, que ionizaron de nuevo el gas a partir delcual se formaron. Webb sera capaz de ver estas primeras estrellas, acerca de las cualesahora solo podemos conjeturar. Como se aglomeraron para formar las primeras galaxias,y como influenciaron la estructura y evolucion de las mismas? Que tan grandes eran lasprimeras estrellas? Algunos creen que debido a la ausencia de elementos mas pesados en elUniverso primigenio, las primeras estrellas pudieron tan masivas como 1000 soles juntos.Que tanto tiempo vivieron y como murieron? Explosiones aun mas energeticas que lassupernovas y colapsos entre grandes estrellas pueden haber generado algunos de los eventosmas energeticos en la historia del Universo.

El ensamblaje de las galaxias.

A medida que retrocedemos en la historia del Universo, encontramos galaxias cada vezmas activas. El Universo temprano parece haber sido una epoca en que las galaxias nosolo formaban mas estrellas, sino que ademas interactuaban mucho mas unas con otras,evolucionando hacia morfologas mas complejas y generando grandes cantidades de ener-ga, producto de la compresion del gas por la interaccion gravitacional, nucleos activosdominados por agujeros negros masivos y formacion estelar. El proceso de como las prime-ras galaxias evolucionaron hacia las morfologas, tamanos y energas que observamos hoyes otra de las preguntas que Webb tratara de resolver haciendo un censo de las primerasgalaxias en formarse, cuando grandes cantidades de materia oscura colapsaron y formarongrumos en cuyo centro se encendieron los primeros universos isla. Aunque el proceso


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de formacion galactica continua aun hoy, una comparacion entre el Universo actual y elUniverso de los primeros tiempos nos permitira entender mejor el ciclo de vida de lasgalaxias.

El nacimiento de las estrellas y los sistemas planetarios.

Las estrellas se forman al interior de densas y frias nubes de gas y polvo, preferencialmenteen los brazos espirales de las galaxias. Estas nubes tienen tamanos de unos cuantos anos luz,y dadas sus bajas temperaturas son muy difciles de detectar (Figura 1.12). En la actualidadlos astronomos saben que algunas regiones de estas nubes colapsan gravitacionalmente paradar inicio a un proceso que culminara con la formacion de estrellas. Desde el punto de vistateorico, el proceso que lleva desde el inicio de este colapso hasta la ignicion termonuclearque define a la estrella esta bien estudiado. Sin embargo, las condiciones iniciales en lagran nube fria que dan lugar al colapso son todava un misterio que las observaciones deWebb ayudaran a resolver. De la misma manera, Webb estudiara los discos de gas y polvoque se forman alrededor de las estrellas jovenes tras el colapso, y a partir de los cuales seforman planetas. Que tipo de sistemas planetarios son posibles y cuales son las condicionespara que se formen es otra de las preguntas que tendran una respuesta mas clara despuesdel lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb.

Figura 1.12: Imagen en el infrarojo de la region Barnard 68. Observar en el infrarrojo nos permite ver a traves de la nube.Credito ESO.

Los planetas y la vida.

Finalmente, para muchos el mas fascinante de los objetivos cientficos de la mision. Unavez los planetas se han formado a partir del disco protoplanetario que hemos mencionado,


cuales son las condiciones en estos planetas? Que tan grandes son? Que tan lejos seforman de su estrella y cuales son las temperaturas en su superficie? Que fraccion deplanetas se parecen a Jupiter, con una gran masa de gas y sin superficie rocosa, y cuantosse parecen a la Tierra? De que se componen sus atmosferas? Pueden albergar vida estosplanetas? Que tan comunes son en la galaxia las condiciones para que surja la vida como laconocemos en la Tierra? Webb podra observar directamente las superficies y las atmosferasde muchos de los planetas que hemos descubierto alrededor de otras estrellas, y utilizandosus instrumentos podra darnos datos tan detallados como cuales son las composicionesqumicas de sus atmosferas. Sera sin duda un paso importante en nuestra intento porcomprender el orgen y el sentido de la vida en el Universo.

Si el lector ha llegado al final de este captulo, espero haberlo convencido de que las dificul-tades tecnicas y los elevados costos que implica instalar telescopios en el espacio son retos quevale la pena enfrentar. Quisiera haber ido mas alla. Tal vez he persuadido a quien esto lee deque la curiosidad humana ha dado frutos, y que la astronoma es el ejemplo mas bello de esacuriosidad. Estos frutos van mas alla de los resultados puramente cientficos y tienen que ver demanera mas fundamental con la consciencia colectiva que poco a poco adquirimos del lugar queocupamos en el Universo, de lo insignificante de nuestros conflictos internos y de lo inmenso denuestros lmites como Humanidad. Tal vez cuando cada ser humano en el planeta quiera sabercomo se forma una galaxia, habremos evitado para siempre la autodestruccion.

1 Astronoma en la prxima dcada. Del Hubble al Telescopio Espacial James Webb1.1 Qu es un telescopio espacial?1.2 El Telescopio Espacial Hubble Hoy1.3 Los aportes del Telescopio Espacial Hubble1.4 El Observatorio Espacial Herschel1.5 Un Coloso Frio en el Espacio

Astronomia Proxima Decada

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