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Cuál será el estudio espacial con el telescopio NASA?

con el telescopio más grande de la historia de la NASA?

Los investigadores deben exprimir una generación de estudios científicos en la corta vida útil del Telescopio Espacial James Webb


Cuál será el estudio espacial con el telescopio NASA?
La inmensa galaxia de Andrómeda, también conocida como Messier 31




Los astrónomos están luchando por mantener una fecha que se acerca rápidamente al destino: la oportunidad de mirar más allá de lo que nunca antes en las profundidades ocultas del universo.

Después de décadas de desarrollo, el Telescopio Espacial James Webb de casi $ 9 mil millones se lanzará desde la Guayana Francesa en la primavera de 2019. Construido en cooperación con las agencias espaciales europeas y canadienses, Webb es el observatorio más grande, más costoso y más poderoso de la NASA hasta el momento. Espejo primario de 6.5 metros que será el más grande jamás volado en el espacio.

A diferencia de su famoso predecesor, el Telescopio Espacial Hubble, que fue configurado principalmente para reunir luz visible y ultravioleta, Webb está optimizado para ver el cosmos en infrarrojo. En algunas longitudes de onda, la luz infrarroja puede pasar a través del polvo casi indemne, como un rayo de sol a través de un cristal; en otros, se mezcla con la materia para llevarse impresiones de su estructura atómica y molecular. También es la luz más brillante que tenemos de las estrellas más distantes (y más antiguas) porque su luz, que de otro modo sería visible, llega estirada a longitudes de onda más largas y más rojas en más de 13 mil millones de años de la expansión del universo. Los ojos infrarrojos de Webb lo convierten en un escáner de rayos X, un espectrómetro de masas y una máquina del tiempo a partes iguales. Con ellos mirará a través de los eternos cósmicos crujientes y polvorientos para estudiar mucho que los astrónomos que usan el Hubble y otros telescopios apenas han empezado a vislumbrar: las primeras galaxias del universo, estrellas nacientes y planetas en mitad de la creación en úteros nebulosos, las atmósferas de mundos tanto dentro como fuera de nuestro sistema solar.

La longevidad es una diferencia aún mayor entre Hubble y Webb. Gracias a una serie de misiones de restauración en su puesto en la órbita baja de la Tierra, el Hubble se acerca a su cuarta década de operaciones, una duración que lo ha ayudado a convertirse en el instrumento científico más productivo y revolucionario de la historia de la humanidad. Webb, sin embargo, estará estacionado en el espacio profundo, más allá de la órbita de la luna, fuera del alcance de un servicio fácil. Está previsto que dure como mínimo cinco años, tal vez incluso 10, si todo va según lo previsto. Para los astrónomos que desean exprimir los niveles de descubrimiento similares al Hubble de la vida limitada de Webb, cada momento del tiempo del telescopio será precioso.
Escalar la curva de aprendizaje de Webb
"Webb tiene una vida útil finita y representa grandes inversiones intelectuales, financieras y tecnológicas, por lo que debemos comenzar a trabajar para que su ciencia fluya", afirma Ken Sembach, director del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI). "Pero habrá una curva de aprendizaje empinada. Queremos hacer que la curva sea lo más rápida y fácil de escalar posible ".

Los cientos de investigadores que llevan décadas desarrollando el hardware, el software y los principales objetivos científicos del telescopio estarán entre los primeros en escalar esa curva de aprendizaje. Cada miembro de este cuadro de élite tiene garantizada una parte pequeña pero significativa del tiempo total de Webb, y gran parte del primer año de observaciones del telescopio (llamado "Ciclo 1" está dedicado a cumplir con esa obligación. Ya íntimos con lo que el telescopio puede hacer y con las primeras selecciones de dónde apuntar, se espera que estos equipos de investigación generen algunos de los descubrimientos más transformadores de Webb. Esos resultados iniciales podrían guiar al resto de los astrónomos del mundo mientras claman por usar Webb antes de que desaparezca. Excepto, es decir, para las reglas elaboradas al principio del desarrollo del telescopio, que permiten a los investigadores realizar estas "observaciones de tiempo garantizadas" para mantener sus resultados para sí mismos durante un período de un año.

Esta demora "es un concepto increíblemente anacrónico, en tiempos de 'big data', para una misión de $ 8 mil millones financiada con recursos públicos con una vida de cinco años", dice Garth Illingworth, astrónomo de la Universidad de California, Santa Cruz. , quien también presidió un influyente comité asesor para Webb. "El período propietario de un año efectivamente significa que estos datos ocultos y no disponibles no pueden verse a tiempo para el seguimiento de la comunidad de astrónomos hasta más de tres años en la misión de [Webb]". Después de presionar infructuosamente para cambiar esas reglas, Illingworth en su lugar ayudó a crear un nuevo programa "Early Release Science" (ERS) para eludirlos: hasta 500 horas de diversas observaciones cargadas en el Ciclo 1 para su lanzamiento inmediato al público, dando a todos los astrónomos la oportunidad de absorber los resultados y aplicar las lecciones aprendidas a las propias propuestas de Webb.

Las horas preciosas para ERS vendrían directamente de Sembach. Como director de STScI, controla el 10 por ciento del tiempo disponible de Webb, y el 13 de noviembre anunció las selecciones finales de 13 propuestas de ERS de más de 100 de grandes equipos de investigación de todo el mundo. Cada propuesta exitosa no solo buscará ciencia novedosa con Webb, sino que también desarrollará nuevas herramientas y técnicas para usar el telescopio que todos los astrónomos pueden emplear posteriormente. "Obtener estos programas sustanciales en el dominio público pone a todos en un campo de juego más nivelado", dice Sembach. "Las buenas ideas son las que deberían dictar las observaciones [de Webb] en el futuro, no los éxitos pasados ​​que alguien tenga".

Iluminando la Edad Oscura Cósmica

Los astrónomos ya han comenzado a aprovechar el Hubble y otros telescopios espaciales para crear una vista previa de lo que Webb puede revelar, mirando algunos de los cúmulos de galaxias más grandes en un proyecto llamado "Frontier Fields". Estos cúmulos son tan enormes que deforman el espacio circundante, formando gigantescos "Lentes gravitacionales" que amplifican la tenue luz de galaxias aún más lejanas, las que nacen menos de mil millones de años después del Big Bang. Se cree que tales galaxias son casi tan antiguas como cualquiera; durante la mayor parte de los primeros quinientos millones de años del universo languideció en una "Edad Oscura" cósmica, demasiado caliente y densa para que se formen las estrellas. Pero incluso a través de la lupa del tamaño de un racimo de galaxias de una lente gravitacional, el Hubble solo puede ver estas primeras galaxias como manchas oscuras enrojecidas por la expansión cósmica. Webb, construido a medida para estudiar estas épocas turbias, podría usar lentes gravitacionales para revelar estas e incluso las galaxias más antiguas con suficiente detalle y número como para precisar exactamente cómo surgieron estos objetos antiguos y trajo la luz por primera vez al universo.

Un programa ERS dirigido por la Universidad de California, Los Ángeles, el astrónomo Tommaso Treu hará exactamente eso, señalando a Webb en un grupo de Frontier Fields llamado Abell 2744 para ver qué hay más allá de los límites de la vista del Hubble. "Con estas observaciones podemos ver todo, desde las primeras galaxias hasta lo que llamamos el pico de la formación estelar, unos miles de millones de años después del Big Bang, cuando las galaxias están produciendo estrellas y elementos pesados ​​a un ritmo loco", dice Treu. . "Obtendremos la línea de tiempo exacta de cómo sucedió todo esto: cómo procede, cuáles son sus fuentes y cómo son esas fuentes: grandes o pequeñas, ricas o pobres en elementos pesados".

Mientras que el programa de Treu usará lentes gravitacionales para profundizar, otros se ampliarán, simplemente colocando una región celeste con la vista infrarroja de Webb. Las observaciones ERS dirigidas por el astrónomo Steve Finkelstein de la Universidad de Texas en Austin usarán Webb para obtener imágenes de una franja de cielo de aproximadamente un octavo del tamaño de la luna llena. En algún lugar de esa región, dice Finkelstein, Webb podría espiar entre unas pocas o quizás 50 galaxias extremadamente antiguas. El número ayudará a revelar la eficiencia de la formación de estrellas en el universo temprano, y podría pronosticar exactamente cuánto tiempo atrás en el tiempo cósmico Webb podrá ver.

"En algún punto, lo suficientemente atrás, las galaxias dejarán de existir", dice Finkelstein. "Tal vez incluso más allá de los límites de los Frontier Fields". Y eso significaría que quizás no quieras pasar mucho tiempo buscándolos, porque no están allí para ser encontrados. . . Puede ser que no veamos nada más débil con Webb, o tal vez lo hagamos ".

Hacer mapas, representar planetas

A pesar de sus orígenes como un caballo de batalla para el estudio de galaxias lejanas, Webb también hará avances más cerca de casa. Un programa de ERS observará los corazones de los sistemas de estrellas nacientes vecinos para ver cómo los hielos, las moléculas orgánicas y otros bloques de construcción planetarios bailan alrededor de los soles coalescentes. Otro buscará columnas de vapor de agua que pueden erupcionar desde los océanos subsuperficiales en las lunas heladas de Júpiter. Pero para muchos astrónomos, el trabajo más esperado de Webb involucra exoplanetas, mundos que orbitan alrededor de otras estrellas.

No se habían descubierto exoplanetas cuando Webb fue concebido por primera vez; ahora las multitudes llenan los catálogos de los astrónomos. La mayoría proviene de una sola misión de la NASA, el telescopio espacial Kepler, que encontró miles de mundos al observar sus oscuros "tránsitos" mientras revolotean periódicamente sobre las caras de sus estrellas. Mientras que estos descubrimientos han ofrecido amplia información sobre los planetas de la Vía Láctea (tamaños, masas y períodos orbitales), nos han dicho mucho menos sobre el clima, el clima y la habitabilidad. Webb no podrá capturar imágenes reales de tierras extraterrestres para ver tales detalles, pero su exquisita óptica aún podría ayudar a los astrónomos a buscar condiciones parecidas a la Tierra en un puñado de planetas que orbitan estrellas cercanas.

A diferencia de Kepler, que simplemente encuestó un solo campo de visión repleto de estrellas para los tránsitos, Webb puede acercarse a los mundos individuales en tránsito para un estudio más profundo. Los astrónomos deberían poder usarlo para detectar el vapor de agua, el metano, el dióxido de carbono y otros gases en las atmósferas superiores de algunos planetas silueteados mediante el monitoreo de la luz de las estrellas que fluye a través de ellos. También podrían registrar el pasaje de un planeta delante y detrás de su estrella, usando la diferencia entre las dos observaciones para medir crudamente la temperatura, los patrones climáticos y las nubes del planeta. "Webb va a ser genial para exoplanetas", dice la científica del proyecto Kepler Natalie Batalha, astrónoma del Centro de Investigación Ames de la NASA, que lidera el programa ERS más intensivo de tiempo, que utilizará casi 80 horas de tiempo de Webb para estudiar mundos en tránsito. "Es solo que este es un juego difícil de jugar, porque las señales que estamos buscando son muy pequeñas". Visto (en tránsito) desde otra estrella, Venus bloquea una parte por cada diezmilésima de la luz del sol, y su atmósfera intercepta una dos centesimas parte de eso. Es difícil de ver, necesitas un gran espejo y una gran instrumentación para hacerlo ".

Para sus observaciones, Batalha y su equipo tienen objetivos más modestos. Planean probar los instrumentos del telescopio en dos mundos en tránsito de Júpiter, WASP-39 by WASP-43 b, que recogen la mayor cantidad posible de datos de los patrones cambiantes de la luz estelar y la sombra planetaria. Lo que aprenden puede ayudar a planear observaciones de mundos más pequeños, potencialmente rocosos y similares a la Tierra que requerirían inversiones más pesadas del tiempo limitado de Webb. Y, en última instancia, podría señalar el camino hacia lo que muchos cazadores de planetas consideran su santo grial: obtener imágenes reales de un planeta parecido a la Tierra que orbita alrededor de otra estrella.

Tomar una foto de un planeta fuera de nuestro sistema solar es una tarea difícil; incluso el mundo más grande y brillante sería casi imperceptiblemente débil a la luz de su estrella madre. El gran espejo y la optimización de Webb para la luz infrarroja, que es más favorable para los contrastes de estrellas planetarias, lo convierten en una herramienta formidable aunque imperfecta para la tarea. Al carecer de un coronógrafo de alto rendimiento, un instrumento que bloquea la mayor parte de la luz de una estrella, Webb probablemente tendrá dificultades para tomar imágenes de planetas más pequeños que Saturno, incluso en las mejores circunstancias. Sin embargo, ayudará a allanar el camino para observatorios de imágenes de planetas futuros mucho más capaces.

"Si encuestaras a mi comunidad sobre lo que desearíamos para nuestro observatorio ideal, no sería Webb, sería otra cosa", dice Sasha Hinkley, astrónomo de la Universidad de Exeter en Inglaterra, dirigiendo un programa de ERS directamente imagen de planetas gigantes. "Webb no tiene la resolución que nos gustaría, nos gustaría algo con un espejo mucho más grande para mirar planetas más pequeños más cerca de sus estrellas. Pero Webb tiene esta increíble cobertura y sensibilidad de longitud de onda (infrarroja). Trataremos de ordeñarlo por todo lo que puede ofrecer ". El equipo de Hinkley apuntará a Webb a tres estrellas que se cree que albergan planetas, en busca de mundos nuevos y captura de imágenes de al menos una ya conocida: un joven llamado" super-Júpiter "llamado HIP 65426 b que todavía está encendido con el calor sobrante de su nacimiento. Medir el brillo y el color del planeta permitirá al equipo de Hinkley estimar mejor su composición y antigüedad, dos puntos de datos cruciales para determinar cómo se formó exactamente, lo que podría arrojar luz sobre cómo se formó Júpiter.

"Nunca hemos visto estos sistemas con la sensibilidad de Webb, por lo que no es poco probable que podamos descubrir planetas de menor masa a los que no éramos sensibles en anteriores observaciones terrestres de estas estrellas", dice Hinkley. "Pero para hacer eso necesitaremos desarrollar rápidamente nuestra comprensión de este increíble observatorio, el telescopio espacial más complicado que la humanidad haya construido jamás".



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1 comentario - Cuál será el estudio espacial con el telescopio NASA?

MauricioFH2
Sería bueno que colocara imágenes del telescopio o al menos algún prototipo.