Cómo el instrumento NIRSpec de Webb ha abierto una ventana hacia nuestro origen

Fuente: ESA

La astronomía avanza gracias a la existencia de grandes incógnitas, y pocas son tan relevantes como las relacionadas con la formación de las primeras estrellas y galaxias, que a su vez propiciaron nuestra propia existencia.

Las respuestas se hayan ocultas en el universo lejano, tan lejano que la luz ha viajado durante miles de millones de años para llegar hasta nosotros, trayendo consigo las imágenes de las primeras galaxias en formación. Este período temprano, apenas 200 millones de años después del Big Bang, queda fuera del alcance, ya de por sí impresionante, de telescopios anteriores. Sin embargo, gracias al telescopio espacial James Webb de la NASA, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la CSA (Agencia Espacial Canadiense), empezamos a vislumbrarlo.

Pero incluso el telescopio espacial más potente funciona bien solo en la medida en que lo hacen los instrumentos que lleva a bordo, y aquí es donde entra en juego el instrumento NIRSpec, una de las contribuciones europeas a la misión Webb.

«Durante las etapas iniciales del diseño de cualquier instrumento la ambición de los científicos juega un papel fundamental. El objetivo de explorar la formación de las primeras estrellas y galaxias fue vital para consolidar el diseño de NIRSpec», afirma Pierre Ferruit, antiguo científico del proyecto Webb para la ESA.

NIRSpec es el espectrógrafo de infrarrojo cercano del Webb, y su misión consiste en descomponer la luz infrarroja recogida por el Webb en las longitudes de onda que la constituyen para formar un espectro. Al medir la variación del brillo en diferentes longitudes de onda de un objeto en el espacio, los astrónomos pueden extraer información muy valiosa acerca de sus características físicas y su composición química, algo imposible en estas galaxias tan distantes antes de que Webb y NIRSpec existieran.

«Ahora que esto es posible, se abre ante nosotros un amplio abanico de oportunidades, y podemos estudiar galaxias lejanas de la misma forma que estudiamos objetos más cercanos», explica Giovanna Giardino, astrónoma de la ESA.

Los datos permitirán a los astrónomos rastrear la evolución de las galaxias desde las primeras etapas del cosmos hasta los objetos más cercanos y recientes que vemos hoy en día.

NIRSpec se desarrolló bajo la batuta de la ESA, con Airbus Defence and Space Germany como contratista principal. Airbus reunió a un equipo de 70 personas de sus plantas de Ottobrunn y Friedrichshafen (Alemania) y Toulouse (France) y contó, además, con el apoyo de la NASA y de 17 subcontratistas europeos.

Desde el principio, el equipo decidió que la mejor manera de lograr el éxito radicaba en evitar complicaciones excesivas. «Si se observa el diseño de NIRSpec, es sencillo», apunta Ralf Ehrenwinkler, responsable del programa NIRSpec de Airbus.

 

 

Mantener la sencillez en la forma de conducir la luz a través del instrumento permitió al equipo concentrarse en los aspectos revolucionarios de este. La principal necesidad era la de obtener eficazmente espectros de muchos objetos al mismo tiempo (algo que nunca se había hecho anteriormente en el espacio).

Esta capacidad única fue resultado directo del deseo de estudiar el universo lejano, allí donde las galaxias apenas son visibles. Para obtener una imagen exhaustiva de nuestros orígenes, tendríamos que observar miles de galaxias.

Las primeras imágenes que conseguimos de estos dominios lejanos llegaron en 1995, con el histórico Campo Profundo del Hubble. El Hubble, valiéndose de su estabilidad para observar el cosmos, se centró en una única área del cielo durante 10 días consecutivos, empezando el 18 de diciembre. La parcela seleccionada era poco más que una pequeña mancha que representaba una fracción aproximada de 1/24 millones de veces la extensión del cielo. Pese a ello, Hubble descubrió en torno a 3000 objetos no identificados hasta entonces, la mayoría de ellos galaxias jóvenes a una distancia de miles de millones de años-luz.

Gracias al tamaño de su espejo, 6,5 metros de diámetro, Webb puede tomar imágenes similares de campos profundos en cuestión de horas y no de días, y NIRSpec puede registrar sus espectros. Sin embargo, hay tantas galaxias para las que no se han tomado datos que no resultaría práctico si NIRSpec solo pudiera medir espectros de uno en uno. Debido a ello, el equipo tuvo que encontrar una manera de conseguir resultados para varios objetos al mismo tiempo.

El éxito fue abrumador.

«Podemos obtener espectros de hasta 200 objetos al mismo tiempo; se trata de un punto de inflexión» dice Maurice Te Plate, ingeniero de sistemas de NIRSpec para la ESA.

Para conseguir esta importante hazaña de multitarea, NIRSpec recurre a un revolucionario dispositivo, una matriz de microobturadores. Fabricado y suministrado por el Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA en Greenbelt, Maryland (Estados Unidos), se compone de aproximadamente un cuarto de millón de minúsculos obturadores autónomos de un tamaño de 80 x 180 micrómetros cada uno. Cada uno de ellos se puede controlar, abrir y cerrar individualmente, en función de las necesidades.

Esto soluciona uno de los mayores problemas derivados de la obtención de espectros del universo lejano: los espectros de objetos más cercanos, como por ejemplo estrellas y galaxias a menor distancia, entorpecen la visión de los más tenues si no se enmascaran.

«Solo dejamos abiertos aquellos microobturadores que se sitúan sobre objetos interesantes; el resto permanece cerrado. Así, solo la luz que procede de los objetos seleccionados entra en la óptica del espectrógrafo para su análisis», explica Maurice.

NIRSpec está diseñado para observar, además del universo lejano, objetos celestes mucho más cercanos a la Tierra: los exoplanetas. Cuando la luz infrarroja procedente de la estrella madre atraviesa la atmósfera de estos mundos, parte de la luz es absorbida. Al recoger la luz de la estrella y descomponerla en un espectro, NIRSpec permite a los astrónomos buscar las pequeñas cantidades de luz que faltan en longitudes de onda específicas. En base a ello, son capaces de identificar aquellos componentes químicos presentes en la atmósfera del planeta, y de extraer otros datos relacionados con sus condiciones físicas.

«Ahora podemos ver las huellas de muchas moléculas cruciales en la atmósfera de los exoplanetas que no pueden verse desde la Tierra, ni con la instrumental espacial que existía antes de NIRSpec», afirma Giovanna.

NIRSpec ofrece otros modos de observación a los astrónomos, entre los que destaca la posibilidad de dividir objetos más grandes, como galaxias o nebulosas, en 30 secciones y observar un espectro para cada una de ellas, todo ello en una sola toma. Los resultados son mapas de las condiciones físicas y químicas del objeto, fundamentales para entender el nacimiento y muerte de estrellas y el funcionamiento de las galaxias.

Para trabajar en el infrarrojo cercano, el NIRSpec (y la mayor parte del resto del Webb) debe funcionar a casi 40 grados kelvin (233 grados centígrados bajo cero), y es el icónico escudo solar del Webb el que le permite mantener esa temperatura. Esto supone un importante desafío a la hora de desarrollar instrumental científico de alta precisión. Cada material se contrae a un ritmo diferente cuando se enfría, y esto provoca ligeras distorsiones en el instrumento, lo que afecta a su precisión.

«Este era uno de los mayores retos, por ello, Airbus decidió fabricar el instrumento principalmente con carburo de silicio. Tanto la placa base como la mayoría de las estructuras y los espejos están fabricados con carburo de silicio», señala Ralf.

El carburo de silicio es un material cerámico. Aunque es difícil trabajar con él, es sumamente estable a bajas temperaturas. Al fabricar la mayor parte del instrumento con este material, las distorsiones térmicas pudieron eliminarse casi por completo, pero fue necesario tener el diseño completo antes de empezar el proceso de fabricación.

NIRSpec empezó siendo un bloque de carburo de silicio en «fase verde», en la que el material es modelable. Utilizando maquinaria muy precisa se le fue dando forma, del mismo modo que un artista convierte un bloque de piedra en una escultura. Todos los orificios y canales se perforaron y, una vez quedó preparado el conjunto, se llevó a cabo el proceso de sinterización, o solidificación controlada, en un horno. Tras este proceso, el material queda endurecido y resulta muy difícil de trabajar; es por ello que el equipo tuvo que estar totalmente seguro del diseño previo a la fabricación.

«Trabajar con carburo de silicio fue un auténtico desafío, y me siento muy orgulloso de que el proceso de fabricación concluyera con éxito», dice Maurice. En parte como resultado de ese éxito, el trabajo con dicho material se ha convertido en una especie de especialidad europea.

El éxito del NIRSpec quedó patente para el equipo cuando las primeras imágenes y datos comenzaron a llegar a la Tierra. «No soy científico, sino ingeniero. Por tanto, me enorgullece comprobar que toda la telemetría es verde y que el NIRSpec funciona. Confieso que, cuando se publicaron las primeras imágenes, yo estaba en Baltimore con otras 200 personas, aproximadamente, y a todos se nos saltaron las lágrimas», dice Ralf.

Ahora que se reciben datos constantemente, mucha más gente siente lo mismo.

«Es sorprendente la calidad de los espectros que estamos consiguiendo, y veo que los observadores también están muy contentos con los datos. Para mí, justamente ese es el motivo por el que desarrollamos NIRSpec, y también creo que todo el equipo comparte este sentimiento. Ahora que comprobamos que NIRSpec funciona, la sensación es inmejorable», añade Pierre.

Una vez concluidos los minuciosos análisis de los datos, contaremos con nuevas respuestas a esas fascinantes preguntas, clave para entender nuestra propia existencia: ¿cómo se formaron las primeras galaxias y estrellas en nuestro universo y con qué frecuencia los planetas que orbitan alrededor de otras estrellas ofrecen condiciones que permitirían la existencia de vida tal y como la conocemos?

Para eso se construyó el NIRSpec: para abrir ventanas que nos proporcionaran respuestas a preguntas fundamentales.

Webb es el telescopio más grande y potente jamás puesto en órbita. En virtud de un acuerdo de colaboración internacional, la ESA proporcionó el servicio de lanzamiento del telescopio utilizando el vehículo de lanzamiento Ariane 5. En colaboración con sus socios, la ESA se ha hecho cargo del desarrollo y cualificación de las adaptaciones del Ariane 5 para la misión Webb, así como de la contratación, por parte de Arianespace, del servicio de lanzamiento. Además de aportar el eficaz espectrógrafo NIRSpec, la ESA también aportó el 50% del instrumento del infrarrojo medio MIRI, que fue diseñado y construido por un consorcio de institutos europeos financiados a escala nacional (Consorcio Europeo MIRI) en colaboración con el JPL y la Universidad de Arizona.