El telescopio espacial James Webb ingresa a una nueva era de imágenes infrarrojas universales en el ciclo 1

El primer año en órbita del Telescopio Espacial James Webb incluyó un proceso de calibración de seis meses, un impacto de micrometeoritos que rompió espejos e imágenes infrarrojas de una de las galaxias más antiguas jamás capturadas, GLASS-z12, aproximadamente 350 millones de años después de que comenzara el universo. El récord anterior para tal observación fue 400 millones de años después del Big Bang del GN-z11, capturado por el Telescopio Espacial Hubble en 2016.

Webb comenzó sus operaciones científicas completas el 11 de julio, luego de seis meses de enfriamiento, calibración y alineación de espejos de la instrumentación, entre otras actividades de puesta en servicio. El 12 de julio, funcionarios de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) realizaron una presentación pública de la primera imagen del JWST, "El primer campo profundo de Webb", que muestra el cúmulo de galaxias SMACS 0723 tal como apareció hace 4.600 millones de años.

Según la NASA, el “primer campo profundo de Webb” es una pequeña porción del universo en expansión, aproximadamente del tamaño de un grano de arena sostenido con el brazo extendido. Es una recopilación de imágenes tomadas en diferentes longitudes de onda infrarrojas en el transcurso de 12,5 horas con la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) de JWST. En comparación, la icónica imagen de campo profundo del Telescopio Espacial Hubble de 1995 requirió un tiempo de exposición total de más de 100 horas repartidas en 10 días de tiempo de exposición en órbita.

El equipo de más de 20.000 ingenieros que desarrolló Webb imaginó originalmente una misión de entre 5 y 10 años de duración. Sin embargo, después de un desprendimiento impecable de Ariane 5, la NASA ha confirmado que Webb tiene suficiente propulsor a bordo para durar 20 años en órbita.

¿Por qué a Webb le llevó más de seis meses desde su lanzamiento el 25 de diciembre de 2021 comenzar las operaciones científicas oficiales en julio? El despliegue del JWST en el segundo punto de Lagrange (L2), a 1,5 millones de kilómetros (km) de la Tierra, duró un mes con un proceso de despliegue en órbita que incluyó 344 posibles fallas en un solo punto.

La mayoría de esos fallos se superaron en las dos primeras semanas de despliegue, cuando se desplegaron los 18 segmentos hexagonales individuales del espejo primario chapado en oro de Webb. Usando los 155 motores conectados a la parte posterior de esos segmentos, el espejo se alineó para mirar hacia las regiones más tempranas del universo, separadas por el parasol de Webb del lado del telescopio que mira hacia la luz y el calor generados por el Sol, la Luna, La Tierra y otros planetas del Sistema Solar.

Tras el proceso de despliegue y alineación del espejo, entre enero y abril, el equipo del Instituto Espacial del Telescopio Espacial (STScI) que operaba JWST se centró en enfriar los instrumentos infrarrojos a sus temperaturas operativas. Este período de tiempo también se utilizó para calibrar y confirmar la calidad de la imagen óptica colectiva y el rendimiento de los cuatro instrumentos infrarrojos de Webb: la NIRCam, el espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec), el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) y el sensor de guía fina. Generador de imágenes de infrarrojo cercano y espectrógrafo sin rendija (FGS/NIRISS).

MIRI requiere la temperatura de funcionamiento más fría de los cuatro instrumentos porque tiene la tarea de observar las porciones más oscuras y distantes del universo en el rango de longitud de onda del infrarrojo medio de 5000 a 28000 nm. La cámara/espectrógrafo de infrarrojo medio alcanzó su temperatura operativa final de 7K (~ -447°F, -230°C) el 7 de abril, según la NASA.

Los instrumentos de infrarrojo cercano (NIRCam, NIRSpec, FGS/NIRISS) funcionan a una temperatura más cálida de aproximadamente 39 K (~ -389°F, -234°C) habilitada por un sistema de enfriamiento pasivo. Cada uno de los otros tres instrumentos alcanzó sus temperaturas objetivo unas semanas antes de que MIRI alcanzara los 7K.

Webb tiene un total de 17 modos de instrumentos. Al completar todo el proceso de puesta en servicio en julio, el equipo JWST revisó los datos de rendimiento recopilados de los 17 modos en comparación con sus criterios de preparación específicos del modo para el rendimiento de los instrumentos científicos.

Este proceso se completó el 10 de julio; sin embargo, el equipo STScI continúa actualizando los datos de calibración, rendimiento y resolución recopilados en JDox, el sistema de documentación del usuario JWST en línea que rastrea cada actualización relacionada con el usuario para cada componente del sistema y aplicación en el telescopio. Según los datos finales de puesta en servicio presentados en el informe de rendimiento científico del JWST, los espejos del JWST están más limpios que sus requisitos, la óptica general está mejor alineada y el fino sistema de guía apunta al observatorio "varias veces más exactamente y con mayor precisión de lo requerido", según el informe. .

Lee Feinberg, director del telescopio óptico en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA, formó parte del equipo de puesta en servicio del Elemento del Telescopio Óptico (OTE). En un artículo publicado, “Puesta en servicio del elemento del telescopio óptico del telescopio espacial James Webb”, presentado por Feinberg durante una conferencia SPIE de 2022 en Montreal, Feinberg y un equipo de investigadores evaluaron el error del frente de onda de cada canal y descubrieron que el telescopio tenía una difracción limitada a 1,1 um en NIRCAM, muy por debajo del requisito de preparación para la misión del Webb de tener una difracción limitada a 2 um.

"Varía según el canal del instrumento y un factor de 3 en el canal MIRI", escribe Feinberg en un comunicado enviado por correo electrónico, "pero aproximadamente un factor de 2 en el canal de longitud de onda corta NIRCam, que es el factor clave para el requisito de calidad de imagen de Nivel 1 ( Requisito de 79 nm RMS frente a 150 nm)”.

En junio, la NASA publicó una actualización sobre el impacto de un micrometeorito que causó daños significativos a C3, uno de los 18 segmentos hexagonales individuales del Espejo Primario. La huelga se produjo en algún momento entre el 23 y 25 de mayo.

Si bien JWST fue diseñado y desarrollado para resistir golpes de micrometeoroides y otras partículas del tamaño de polvo que se mueven a velocidades extremas cerca de su órbita, ese incidente de mayo fue mayor que cualquier cosa que predijeran o simularan pruebas.

La detección del frente de onda realizada poco después del impacto confirmó que el telescopio todavía funcionaba por encima de sus requisitos de imágenes de Nivel 1.

Un análisis más detallado del impacto realizado por un grupo de trabajo de expertos en óptica y micrometeoritos del equipo Webb de Goddard de la NASA, el fabricante del espejo del telescopio, el STScI y la Oficina de Medio Ambiente de Meteoroides de la NASA concluyó que el impacto de mayor energía observado en mayo fue un evento estadístico poco común tanto en términos de energía y al golpear una ubicación particularmente sensible en el espejo primario de Webb.

Con base en ese análisis, el equipo desarrolló un nuevo enfoque para mitigar tales ataques en el futuro, descrito en una actualización sobre el ataque publicada por la NASA en noviembre.

Se planificarán futuras observaciones utilizando JWST lejos de la 'Zona de Evitación de Micrometeoritos' (MAZ) desarrollada por el grupo de trabajo. El MAZ recientemente desarrollado está definido por STScI como un cono de un medio ángulo específico alrededor de la dirección del movimiento orbital, también conocido como "el vector ram". A partir del Ciclo 2, o el segundo año planificado de operaciones científicas para Webb, el medio ángulo se establecerá en 75°. Además, Webb ha experimentado 14 impactos de micrometeoroides mensurables en total en el Espejo Primario y tiene un promedio de uno o dos de estos impactos por mes, según la NASA.

La nueva estrategia apuntará efectivamente los espejos, cámaras e instrumentos de Webb lejos de la dirección en la que se mueve dentro de su órbita alrededor de L2.

Si bien no fue causada por ningún impacto de micrometeoroides, una de las operaciones en modo científico de MIRI también se vio afectada por el desgaste en órbita. Uno de los modos del instrumento, el modo Espectrómetro de resolución media (MRS), para MIRI se apagó entre agosto y noviembre.

El razonamiento del comité de usuarios del JWST para la pausa fue que la rueda de rejilla del espectrómetro de resolución media de MIRI experimentó un cambio en el par de fricción en algún momento mientras Webb estaba en órbita a principios de agosto.

¿Qué causó el cambio en el par de fricción en la rueda de rejilla? Según la declaración de la STScI que describe el incidente, la causa principal del problema observado es el aumento de las fuerzas de contacto entre los subcomponentes del conjunto del cojinete central de la rueda bajo ciertas condiciones.

"Creemos que es una combinación de factores asociados con las condiciones ambientales variables experimentadas por los subcomponentes del cojinete de la rueda de rejilla durante el lanzamiento y el enfriamiento a una temperatura de aproximadamente 6K", escribe un representante de STScI en una declaración enviada por correo electrónico. “Algunas observaciones que utilizan MIRI MRS y que estaban programadas para los últimos 2 o 3 meses se han retrasado hasta una oportunidad futura. Los investigadores principales de esos programas han sido notificados y trabajaremos con ellos para reprogramar sus observaciones”.

Las observaciones universales reales que Webb ejecuta mientras está en órbita se determinan en función del número de ciclo en el que Webb está operando, que actualmente es el sexto mes del Ciclo 1.

Los programas de observación del JWST en órbita generalmente se asignan en ciclos de un año. STScI todavía sigue el cronograma del programa previo al lanzamiento para el Ciclo 1, Ciclo 2 y Ciclo 3. La programación científica y de planificación definida por el Comité de Usuarios del JWST estima que hay 8.760 horas disponibles en cada ciclo de observación de un año.

La geometría del parasol de Webb limita la región del cielo a la que pueden apuntar los espejos y los instrumentos, y durante cuánto tiempo. Dependiendo de su ubicación en órbita, un objetivo astronómico suele ser observable durante dos períodos de un año calendario, separados por unos seis meses, según el STScI. Esta limitación está determinada por la latitud de la eclíptica objetivo y la posición orbital de Webb, que siempre garantiza que el parasol proteja el telescopio y sus instrumentos científicos de la radiación solar.

Las observaciones a realizar son seleccionadas por el Comité de Asignación de Tiempo de la STScI y se asignan en función de las capacidades específicas de los instrumentos individuales.

El comité recibió 1.173 propuestas en total para el Ciclo 1.

Las misiones u operaciones científicas del JWST generalmente se segmentan en tres categorías diferentes, incluidas las observaciones de tiempo garantizado (GTO), las observaciones generales (GO) y los programas de tiempo discrecional del director. Las misiones de observación general generalmente están abiertas a la comunidad científica global y ocupan la mayor parte de las horas disponibles en cada ciclo.

Las propuestas se envían una vez al año y se someten a un proceso competitivo de revisión por pares antes de su aceptación.

Se seleccionaron y asignaron un total de 6.000 horas de observación para el Ciclo 1, la mayoría de ellas en la categoría de Observación General.

Otro factor clave para que Webb seleccione las investigaciones científicas que realizará incluye la capacidad de la propuesta o la investigación para abordar los temas científicos clave de la misión del observatorio espacial.

La misión de Webb se divide en cuatro temas científicos clave, incluidas las siguientes áreas: primera luz y reionización en el universo, ensamblaje de galaxias en el universo temprano, el nacimiento de estrellas y sistemas protoplanetarios y los orígenes de la vida dentro de los planetas.

Algunos de los principios clave de estos objetivos científicos ya se están abordando en observaciones que se realizan desde julio. Basado en un testimonio ante el Congreso en noviembre proporcionado por Natalie M. Batalha, profesora de Astronomía y Astrofísica de UC Santa Cruz, Webb está estableciendo una "nueva época de ciencia de exoplanetas" y comprensión de cómo la Tierra y otros planetas dentro y fuera del Sistema Solar desarrollado a lo largo del tiempo.

Batalha es uno de los investigadores principales del Programa Científico de Publicación Temprana (ERS-1366) que incluye a más de 300 científicos en todo el mundo. El programa comenzó como una iniciativa de ciencia abierta en 2016 y tiene como objetivo probar los modos de observación de Webb que son capaces de realizar espectroscopia de transmisión. El investigador de UC Santa Cruz describe la espectroscopia de transmisión como lo que ocurre cuando los planetas eclipsan a su estrella anfitriona y parte de la luz de la estrella atraviesa su atmósfera.

A medida que pasa la luz de las estrellas, el planeta bloquea diferentes fracciones de luz dependiendo del color de determinadas moléculas presentes en su atmósfera. En el pasado, el estudio de las atmósferas planetarias con espectroscopía de transmisión a través de otros observatorios como Kepler y TESS se limitaba a observaciones de propiedades planetarias generales, como la masa total, el radio o la curvatura del planeta. Esta limitación es el resultado de que Kepler y TESS realizaron espectroscopía de transmisión en luz blanca.

Los instrumentos infrarrojos, espectrógrafos y coronógrafos de Webb observan tránsitos de exoplanetas fuera del Sistema Solar en cientos de colores infrarrojos simultáneamente. Los espectrómetros de cada uno de los instrumentos IR de Webb miden la cantidad de luz bloqueada en cada color infrarrojo observado. Esto permite a expertos como Batalha descubrir qué elementos atómicos y moléculas están presentes en la atmósfera del planeta en función de qué colores faltan.

JWST ya ha utilizado este método con un espectro atmosférico creado a partir de NIRSpec PRISM de WASP-39-b, una estrella similar al sol situada “aproximadamente a 700 años luz de distancia, hacia la constelación de Virgo”, según su testimonio. La masa de WASP-39b es similar a la de Saturno y sus dimensiones son un 30 por ciento más grandes que las de Júpiter. Utilizando espectroscopia de transmisión impulsada por NIRSpec, el equipo ERS-1366 descubrió la primera "detección sólida de CO2 en la atmósfera de un exoplaneta".

También se descubrió evidencia de varias otras especies químicas en la atmósfera, incluidas cuatro formaciones independientes de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2) y monóxido de carbono (CO).

Sólo durante el Ciclo 1, se observarán más de 70 exoplanetas en tránsito con sus atmósferas estudiadas de manera similar al enfoque utilizado para WASP-39-b. Según Batalha, podrían observarse cientos más durante el ciclo de vida completo en órbita de Webb, estableciendo las bases para identificar entornos habitables e incluso mundos vivos en el futuro.

Otro descubrimiento innovador presentado durante el testimonio ante el Congreso en noviembre provino del Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS). Combinando las capacidades de NIRCam y MIRI, CEERS busca imágenes infrarrojas de la parte más temprana y oscura del universo. CEERS es un programa de investigación alineado con el primero de los cuatro objetivos científicos de Webb: "Primera luz en el universo".

El Dr. Steven Finkelstein, profesor de Astronomía de la Universidad de Texas en Austin, presentó a los legisladores la investigación recopilada del CEERS durante los primeros cinco meses de operaciones científicas espaciales del Webb. Finkelstein describe el "corrimiento al rojo" como el fenómeno universal del movimiento continuo de galaxias alejándose unas de otras. Este movimiento constante significa que las ondas de luz generadas por las galaxias en retroceso observadas por Webb son más rojas (o más "desplazadas hacia el rojo") que cuando se emitieron por primera vez.

Uno de los primeros descubrimientos de Webb presentados por Finkelstein es la "Galaxia de Maisie", que tiene un corrimiento al rojo de 12, lo que permite a Finkelstein y otros localizarla en "más del 97 por ciento del tiempo que se remonta a nuestra historia cósmica", según el testimonio de Finkelstein.

El 15 de noviembre, STScI abrió su convocatoria de propuestas para el tiempo de Observador General para el Ciclo 2. Hay hasta 5000 horas GO disponibles en el segundo ciclo, y el equipo requiere que las propuestas se presenten antes del 27 de enero de 2023. La asignación de telescopios del ciclo 2 El comité planea anunciar las operaciones GO seleccionadas para el Ciclo 2 en mayo de 2023.

Las fechas previstas para las observaciones del Ciclo 2 son del 1 de julio de 2023 al 30 de junio de 2024.

Este artículo fue escrito por Woodrow Bellamy III, editor de Photonics & Imaging Technology, SAE Media Group (Nueva York, NY).

Este artículo apareció por primera vez en la edición de enero de 2023 de la revista Photonics & Imaging Technology.

Lea más artículos de este número aquí.

Lea más artículos de los archivos aquí.

SUSCRIBIR