Diez preguntas sobre el telescopio espacial James Webb o por qué es el observatorio espacial más complejo y caro de la historia

Por Daniel Marín, el 24 diciembre, 2021. Categoría(s): Astronáutica • Astronomía • ESA • NASA ✎ 118

Si todo sale bien y no hay más retrasos, mañana 25 de diciembre a las 12:20 UTC despegará el telescopio espacial James Webb (JWST), el vehículo espacial dedicado a la astronomía más avanzado y caro de la historia. A estas alturas todo el mundo está familiarizado con este telescopio espacial, pero es posible que tengas algunas dudas sobre sus características o funcionamiento. Vamos a intentar aclarar algunas de ellas.

Mañana se hace historia (Arianespace).

1- ¿Es el James Webb el sucesor del Hubble?

Sí y no. Me explico. En términos de diseño, no, no lo es. El James Webb es un telescopio espacial que observará el infrarrojo (de 0,6 a 28,5 micras), mientras que el Hubble, aunque también estudia el infrarrojo cercano, se centra en el espectro visible, además del ultravioleta. En este sentido, el James Webb es un sucesor de otros telescopios espaciales infrarrojos como el IRAF, el ISO, el WISE o el Spitzer. Sin embargo, el James Webb, es, al igual que el Hubble, un telescopio «generalista». Es decir, estudiará prácticamente todos los objetos astronómicos que existen con una resolución sin precedentes en el infrarrojo y revolucionará todas las ramas de la astronomía. En este sentido, sí que será un digno sucesor del Hubble.

Comparativa entre el Hubble y el James Webb y sus espejos primarios (NASA).
Longitudes de onda que serán observadas por el JWST y el área de los telescopios espaciales comparadas con las prestaciones del Hubble y el Spitzer (NASA).

¿Y por qué el infrarrojo? Por varios motivos. Dos de los objetivos principales del James Webb es estudiar la formación de las primeras estrellas y galaxias cuando el Universo era muy joven. La luz visible de esos astros nos llega en la actualidad en forma de radiación infrarroja debido a la expansión del Universo, así que si queremos observar directamente los primeros objetos luminosos que se crearon debemos usar esta región del espectro. Además, los otros dos objetivos principales del JWST son el estudio de la formación estelar y de planetas. El infrarrojo nos permite ver las estrellas en formación a través de las nubes de polvo interestelar que ocultan estos procesos en el visible.

2- ¿Por qué tiene esa forma tan rara?

Para poder ver en el infrarrojo, un telescopio debe estar refrigerado, así que su diseño deber ser por fuerza muy diferente a otro que observe el visible. El James Webb es el primer telescopio infrarrojo de gran tamaño lanzado al espacio que observará esta zona del espectro sin emplear refrigeración activa, toda una hazaña tecnológica. Para ello, el James Webb utiliza un escudo solar desplegable formado por cinco capas de kaptón que permitirán mantener la óptica del telescopio a solo 40 kelvin por encima del cero absoluto. Los telescopios espaciales infrarrojos lanzados hasta ahora usaban helio líquido (WISE usaba hidrógeno) para enfriar toda la nave hasta cerca del cero absoluto, pero esta técnica tiene la pega de que el refrigerante —el helio— termina por gastarse y entonces el telescopio queda inservible. El empleo de un sistema de refrigeración pasiva permite que la vida útil del James Webb no esté limitada por este factor (spoiler: está limitada por el combustible para mantener su órbita). Para ser precisos, el instrumento MIRI sí que hace uso de helio para refrigerar su temperatura hasta los -266 ºC, pero se trata de un sistema de ciclo cerrado y, en principio, limitado solo por el desgaste de las partes móviles más que por las reservas de helio.

Partes del JWST (NASA).
El James Webb completo con las 5 capas del escudo térmico desplegado en 2019 (NASA/Chris Gunn).
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El escudo térmico del James Webb durante las pruebas de despliegue en tierra (NASA).

3- ¿Por qué el James Webb usa un espejo segmentado?

La forma del espejo primario del James Webb, que recuerda a un elegante panel de abejas dorado, es su principal característica, pero, ¿por qué es así y no usa un espejo único como el telescopio Hubble? La razón principal tiene que ver con el tamaño. El espejo del James Webb mide, una vez desplegado 6,5 metros, mucho más que los 2,4 metros del Hubble. Cuando el proyecto fue concebido a finales de los 90, simplemente no existía ningún lanzador disponible dotado de una cofia en la que pudiese albergar un espejo de 6,5 metros, ni se le esperaba. Hoy en día, sin embargo, ya existen proyectos cofias más anchas, como la del futuro cohete New Glenn de Blue Origin (7 metros) o las que llevarán las versiones avanzadas del SLS (8,4 metros), pero llegan demasiado tarde. La cofia del Ariane 5, el cohete que lanzará el James Webb, tiene 5,4 metros de diámetro (4,57 metros de diámetro interno útil). En cualquier caso, la construcción de un espejo monolítico de 6,5 metros conlleva otra serie de limitaciones y desafíos tecnológicos, de ahí que las propuestas de futuros telescopios espaciales de gran tamaño también tengan con frecuencia espejos segmentados, independientemente de que existan cohetes capaces de lanzarlos de una pieza.

El espejo primario del James Webb (NASA).
El James Webb plegado dentro del Ariane 5 (NASA/ESA).

4- ¿Por qué los espejos son dorados?

Pues porque llevan una fina capa de oro encima. Los 18 segmentos hexagonales del espejo primario —además de los espejos secundario y terciario— son de berilio, un metal elegido por su ligereza, robustez y capacidad para soportar las bajísimas temperaturas que deberá experimentar la óptica del telescopio. Sin embargo, el berilio no refleja muy bien en el infrarrojo, así que con el objetivo de mejorar las propiedades reflectantes llevan una capa de oro de apenas 120 nanometros de espesor. Para cubrir cada segmento hexagonal apenas se han usado 3 gramos de oro. Vale, muy bien, pero, ¿por qué oro? ¿Por qué no usar aluminio u otro material empleado en espejos tradicionales? La razón es que el aluminio no refleja la radiación infrarroja muy bien, mientras que el oro alcanza el 98% (realmente, ni siquiera en el espectro visible el aluminio funciona tan bien, pero es mucho más barato y sencillo de emplear). Eso sí, el uso de oro hace que el James Webb solo sea capaz de observar longitudes de onda de más de 0,6 micras, una cifra que ha condicionado el diseño de los instrumentos y objetivos científicos.

La tecnología hecha arte (NASA).
Dos de los segmentos del espejo primario del James Webb, hechos de berilio, uno con la capa de oro y otro sin ella (ESA).

5- ¿Por qué estará situado en el punto L2?

El JWST observará el cielo desde el punto de Lagrange L2 del sistema Tierra-Sol (ESML-2), a unos 1,5 millones de kilómetros de la Tierra (aunque, técnicamente, no estará fijo en un «punto», sino que describirá una órbita de halo alrededor de L2). Parece muy lejos, pero, una vez que se envía una nave espacial más allá de la órbita lunar, poco importa que esté a medio millón o a dos millones en términos energéticos. La principal ventaja de L2 es que allí el JWST estará lejos de la radiación infrarroja emitida por la Tierra y la Luna. Si el James Webb estuviese en órbita baja como el Hubble, el calor emitido por nuestro planeta, incluso por el hemisferio nocturno, harían imposible que el telescopio estuviese a los —233 ºC requeridos para poder estudiar el cielo en infrarrojo. El calor de la Tierra cegaría, literalmente, el los instrumentos del telescopio (sería algo así como observar en el visible por un telescopio que emitiese luz). Ahora bien, ¿hace falta irse tan lejos? En el punto L2 se equilibra la fuerza gravitatoria generada por la Tierra con la del Sol, por lo que una nave espacial que se halle en este punto tendrá una posición relativamente estable con respecto a la Tierra. Esto permite que el telescopio pueda mantener continuamente su óptica alejada del Sol al mismo tiempo que la otra parte siempre está apuntando a la Tierra (en el punto L1 también se cumplen estas condiciones, pero, al estar situado en dirección hacia el Sol, solo es interesante si quieres observar el astro rey o la Tierra). En una órbita alta, como la geoestacionaria, el brillo de la Tierra en el infrarrojo seguiría siendo muy intenso y, además, aunque parezca contra intuitivo, se requiere más energía (Delta-V) para alcanzarla.

Viaje del JWST al punto L2 (ESA).

Pero el punto L2 no es la panacea. El James Webb generará 300 gigabits de datos al día que hay que transmitir a la Tierra (el ordenador ddispone de una memoria de 471 gigabits). Los datos se descargarán usando la Red de Espacio Profundo de la NASA (DSN) dos veces al día en sesiones de cuatro horas cada una. Hay que recordar que, cuanto más lejos de la Tierra esté un satélite, más complejo debe ser el sistema de comunicaciones y más grandes las antenas en Tierra para recibir los datos. El punto L2 es peor en este sentido que la órbita geoestacionaria, pero es necesario poner en una balanza los pros y las contras. Otra pega es que la órbita de halo alrededor del punto L2 no es totalmente estable, por lo que el James Webb deberá gastar sí o sí combustible para mantener una órbita correcta y contrarrestar el efecto de la presión de radiación de la luz solar en los volantes de inercia (para ello, lleva 300 kg de propergoles hipergólicos). De hecho, el gasto de combustible es la principal limitación de la vida útil del James Webb, que se estima en diez años y medio (la misión científica primaria durará cinco años). Por ejemplo, para evitar el uso de combustible, el telescopio Spitzer fue situado en una órbita heliocéntrica. Esta hubiera sido una buena alternativa para el James Webb, pero la pega es que el ángulo con respecto al Sol y la Tierra cambia continuamente, lo que, sumado a una mayor distancia de nuestro planeta, además de cambiante, hace que sea un poco más difícil transmitir el enorme volumen de datos que generará el JWST y planificar las observaciones con mucha antelación.

El viaje al punto L2, a 1,5 millones de km de distancia (NASA).

6- ¿Cómo apuntará el telescopio?

Al ver su curiosa forma, hay gente que piensa que el James Webb podrá mover el espejo primario para apuntar a la zona del cielo que desee. Pero no. El JWST apuntará a sus objetivos como el Hubble y otros telescopios espaciales, es decir, moviendo todo el vehículo. Introducir partes móviles en un proyecto tan complejo sería, simplemente, un suicidio. Para moverse, el JWST, también como el Hubble, empleará volantes de inercia que, a su vez, usarán la información sobre la orientación del telescopio recibida por los sensores solares, estelares y giroscopios que lleva. Los seis conjuntos de volantes de inercia están situados en el bus de la nave, donde se incluye el sistema de propulsión, el panel solar o el sistema de propulsión, entre otros elementos.

Sistema de propulsión hipergólico del James Webb. Los motores SCATs se usarán para las maniobras de Delta-V necesarias para alcanzar el punto L2. Los motores DTM de hidrazina se usarán para controlar periódicamente la orientación del telescopio y descargar el momento angular de los giroscopios (NASA).
Región del cielo que podrá observar el JWST en un momento dado (NASA/ESA).

Eso sí, el telescopio no se puede apuntar a cualquier punto del cielo cuando uno quiera. Para garantizar la protección del escudo solar que permite las bajas temperaturas de funcionamiento, el telescopio solo puede apuntar en un momento dado a una sección anular del cielo de unos 50º de ancho y perpendicular a la línea Sol-Tierra (un 39% del cielo aproximadamente). No obstante, a medida que el telescopio gire alrededor del Sol será capaz cubrir toda la bóveda celeste. Además, habrá dos zonas que sí que podrá observar continuamente si así lo desea, ambas situadas cerca de los polos de la eclíptica. Por otro lado, estas limitaciones impiden que el James Webb pueda apuntar cerca del Sol —o la Tierra, lógicamente—, por lo que no podrá observar Mercurio o Venus.

Movimientos máximos permitidos por el JWST (NASA).

7- ¿Por qué el Ariane 5?

En los últimos años, en cuanto se menciona por qué el James Webb va a ser lanzado por un cohete europeo Ariane 5 siempre hay alguien que pregunta por qué no se usa un Falcon 9 o Falcon Heavy de SpaceX. La razón es que el Ariane 5 es parte de la contribución del 15% que aporta la Agencia Espacial Europea (ESA) al proyecto. En este caso, una contribución «en especie». Cuando se completó el diseño del James Webb, SpaceX no había presentado sus lanzadores actuales y, de todas formas, el ahorro en el cambio de lanzador no es significativo en un proyecto que ha costado diez mil millones de dólares (un lanzamiento del Ariane 5 sale entre 180 y 200 millones de dólares).

El JWST y el Ariane 5 (ESA).
Contribución canadiense y europea al proyecto (ESA).
El Ariane 5 ya está listo para despegar desde Kourou con el JWST (ESA).

8- ¿Se puede reparar?

Esa es la pregunta del millón. O mejor dicho, de los diez mil millones de dólares. A diferencia del Hubble, que fue diseñado desde el principio para ser reparado y actualizado en órbita baja por las tripulaciones del transbordador espacial, el James Webb no dispone de esta capacidad. tampoco tiene sistemas de acoplamiento con otros vehículos espaciales. Evidentemente, en caso de que algo fuese mal durante el «mes de terror» en el que se deben desplegar todos sus sistemas —crucemos los dedos—, se podría plantear el envío de una misión no tripulada para resolver el entuerto, dependiendo de la naturaleza del mismo. Pero lo importante es que, a día de hoy, no existe ninguna opción para reparar el James Webb si fuese necesario. Por eso la esperanza es que pueda completar su misión científica primaria de cinco años y, luego, durar hasta los 10,5 años previstos que permiten sus reservas de combustible (que se podrán alargar algo más con ingenio). Por otro lado, Thomas Zurbuchen, el administrador asociado de la NASA para temas científicos, ha declarado que intentará presionar para desarrollar una misión robótica que pueda recargar los depósitos de propergoles del JWST y alargar su vida útil indefinidamente.

El Ariane 5 lanzando el James Webb (ESA/Arianespace).
Resumen del proyecto (NASA).

9- ¿Le puede pasar lo mismo que al Hubble?

Cuando se lanzó en 1990, el telescopio espacial Hubble avergonzó a la NASA al descubrirse que el espejo primario tenía una aberración esférica que impedía alcanzar la resolución esperada. Los espejos del James Webb han sido calibrados hasta la saciedad para comprobar que no tienen ningún defecto, pero, aunque así fuera, el espejo primario está dotado de un avanzado sistema de óptica activa que corrige continuamente la posición de los espejos con el fin de que el frente de onda no esté distorsionado. Para lograrlo, se emplea la información de la cámara principal, NIRCam, que funciona al mismo tiempo como sensor del frente de onda. Por tanto, no, al menos por ese lado podemos estar seguros, que el JWST no va a ser un nuevo Hubble.

Óptica del JWST (NASA).

10- ¿Cuál será su sucesor?

Todavía no se ha lanzado, ¿y ya se planea un sucesor? Pues, aunque aún no hay nada en firme, los telescopios espaciales son proyectos complejos y caros que llevan mucho tiempo desarrollar, así que es mejor ir planificando desde ahora. El próximo telescopio espacial de gran tamaño será el Nancy Grace Roman (WFIRST), un telescopio con un espejo primario de 2,4 metros de diámetro, como el Hubble (la óptica proviene de un satélite espía donado a la NASA por la NRO). Pero el WFIRST, si es que al final no es cancelado, no es exactamente un telescopio generalista, sino que se dedicará a estudiar principalmente la energía oscura, la materia oscura y exoplanetas. Recientemente, la comunidad científica de Estados Unidos ha recomendado a la NASA que el sucesor del Hubble y el James Webb sea un telescopio espacial con un espejo de, al menos 6 metros, como el JWST, pero que pueda observar en el ultravioleta y en el visible y que, además, tenga el estudio de los exoplanetas como una de sus prioridades (este proyecto es en realidad una fusión de las propuestas LUVOIR-B y HabEx).

Propuesta de telescopio espacial LUVOIR-B, con un espejo segmentado de 8 metros para observar el ultravioleta, el visible y el infrarrojo cercano. El futuro gran telescopio espacial debería tener al menos 6 metros (NASA/Goddard Space Center).

James Webb es una máquina asombrosa que dará mucho que hablar en las próximas décadas y que revolucionará la astronomía para siempre. Motivos de sobra para estar entusiasmados y no perderse el lanzamiento de mañana. ¡Suerte, James Webb!



118 Comentarios

  1. Gracias Daniel por tantas buenas lecturas y resúmenes que nos procuras a lo largo del año. Está en concreto adelantándonos la información para quedar como Reyes (Magos e instruidos) en la cena de esta Noche esperemos que Buena y Feliz Navidad y despegue del JWST a todos los espaciotrastornados.

    Lo que dan de si 3 gr de oro ! (No todo se consigue con bitcoins ! ) jaja

  2. Muchas felicidades, que la pasen muy bien, les mando un gran abrazo! 🎄💫✨🍾🥂🥜🌰🎅🏼🛍️🎁🛍️🎁🎁
    🚀🚀🚀🛰️🚀🚀🚀

  3. Va a ser el lanzamiento que vea con más tensión. Sé que es una pregunta un poco recurrente en estos casos, pero sabéis alguno si sería factible construir otro JWST en caso de que falle este, a una fracción del coste? Intentando autorresponderme a mi mismo, imagino que dada la duración del proyecto, muchos proveedores de algunos componentes ya no existirán ahora, pero quizá el sobrecoste de rediseñar esos componentes se compense de sobra con los ahorroa en diseño de otros componentes, de procesos, ensayos de calificación, equipos de soporte, etc (?)

    1. evidentemetne construir otro seria mucho mas barato y rapido ya que toda la tecnologia esta probada y desarrollada.

      el problema seria de donde sacar el dinero.

      porque los costes se han disparado demasiado

  4. A todos los espaciotrastornados: que tengan una Muy Feliz Naviwebbdades!! Y feliz comienzo de 2022 con el Webb en su órbita de trabajo, al 100% operativo. Les deseo a todos unas astronómicas felicidades!! Saludos

  5. Deseo lo mejor para el JWST , ojala salga todo a la perfeccion por el bien de la ciencia y de la astronomia . Ya puede ser bueno el retorno cientifico ! Sino los agoreros de turno se echaran encima como buitres con el argumento de su costo , porque con eso alimentarian y vacunarian a los negritos de africa . Deseo tambien que se piquen un poco tambien los chinos y que manden un telescopio tan espectacular o MAS que este . Pueden hacerlo , a ver si lo vemos . ¡ GO JWST!

  6. FELIZ NAVIDAD

    En 2022 prometo ser todavia más sarcástico y mordaz con todos vosotros… ¡¡LARGA VIDA AL IMPERIO GALÁCTICO ROJO, JA, JA, JA ,JA, JAAAAAA!!! 😜😂😅😈😆😆😆😆

  7. Falta hace algo que nos llame la atención de lo pequeños que somos y lo pequeño que es este mundo donde hemos vivido todos y cada uno de los miles de millones de seres humanos que han existido. Faltísima hace algo que nos dè un poquito de humildad, como decía Carl Sagan que era la astronomía, en estos momentos turbulentos cuando el soporte lógico de la humanidad ya ha dado de sí todo lo que podía y hay que cargar uno (o varios) nuevo(s). Ver el sitio que ocupamos es el mejor sistema de referencia para no huir de la realidad.

    Bienvenidos todos los retrasos porque llega en el mejor momento. A ver si el año 2022 es el año de la astronomía, y no el año de otras indecencias más ruines.

    P.S. Esto es más complicado que ‘hacer’ dinero, ¿eh? De hecho no lo hace. Lo funde. Que para eso es.

  8. Feliz navidad, Daniel.
    Y también para todos.
    Una entrada completisima. Espero que todo salga bien en el lanzamiento y despliegue para que podamos disfrutar de una década de sorprendentes y reveladoras imágenes!
    Pd.- No me extraña que quieran alargar su vida útil, mil millones por año de servicio anima a ello.

  9. Gracias Daniel por este pedazo de articulo sobre el James Webb y FELIZ NAVIDAD A TODA TU FAMILIA. Y A LOS QUE SIGUEN ESTE BLOG LES DESEO UNA FELIZ NAVIDAD, es el mejor del mundo para mi, hay que cuidarlo.

    saludos Jorge m. g

    p.d. Mañana a rezar por la misión mas importante en muchos años.

  10. ¡Daniel, muchas gracias por tu información!, Clara, concisa, y muy gráfica. La busqué por todas partes, hasta que te encontré, ya no tengo dudas…
    ¡Muchachos!… Liberen sus evocaciones, y verán que es muy posible que en años venideros, gente preparada esté construyendo telescopios mucho más grandes, que los que hoy, se tienen tienen pensados, puesto que con espejos segmentados pueden hacer mucho mas grandes que; el «Telescopio extremadamente grande» que hoy se está construyendo Chile. Para eso están los obreros del espacio que construyeron tanto las Estaciones espaciales Americanas, como Chinas. La carrera, recién comienza… Y este telescopio es; el primero de su clase…

  11. El sistema de control de control en principio tiene dos loops de control. Uno de posición y otro de velocidad. Si bajas los ‘rates’ se mueve más lento, aceleras menos y frenas menos.

    Pero no me queda claro si hablas de actitud (que depende sobretodo de los volantes de inercia) o de cómo llegar a posición, que depende de los motores y ahí si vas rápido, pues gastas más combustible.

  12. Solo desearos a todos salud y felicidad. Muchas gracias tanto a Daniel cómo a todos los que enriqueceis de manera infinita cada artículo que se publica en este querido blog con vuestros comentarios. Eureka es parte de nuestro día a día desde hace ya bastantes años. Y espero y deseo sea así muchos años más. Gracias!!

  13. Estupendo artículo como regalo de navidad. Gracias Daniel !
    Ahora, solo esperar que todo salga perfecto (el cohete estoy bastante seguro que irá bien, pero todo el complejísimo tema del despliegue si me parece terrorífico… van a ser bastantes días de miedo… como dijo Martínez, un terror tecnológico jejeje)

    Feliz Navidad a todos !

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