Cómo el telescopio Webb de la NASA continuará el legado de Spitzer.


El Telescopio Espacial Spitzer de la NASA, entonces conocido como la Instalación del Telescopio Infrarrojo Espacial, se lanza desde la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral en Florida el lunes 25 de agosto de 2003. Crédito: NASA

Si bien el telescopio espacial Spitzer se dirige a la jubilación, muchos de sus avances se estudiarán con mayor precisión con el próximo telescopio espacial James Webb de la NASA.

A medida que se cierra una ventana al Universo, se abrirá otra con una vista aún mejor. Algunos de los mismos planetas, estrellas y galaxias que vimos por primera vez en la primera ventana aparecerán con detalles aún más nítidos en la que pronto se abrirá.

El telescopio espacial Spitzer de la NASA concluye su misión el 30 de enero de 2020, después de más de 16 años extraordinarios de exploración. El telescopio ha realizado muchos descubrimientos más allá de la imaginación de sus diseñadores, como los planetas fuera de nuestro Sistema Solar, llamados exoplanetas y galaxias que se formaron cerca del comienzo del Universo. Muchos de los avances de Spitzer se estudiarán con mayor precisión con el próximo telescopio espacial James Webb, que se lanzará en 2021.

“Tenemos muchas preguntas nuevas que hacer sobre el Universo debido a Spitzer”, dijo Michael Werner, científico del proyecto Spitzer con sede en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California. “Es muy gratificante saber que hay un conjunto tan poderoso de capacidades que vienen para dar seguimiento a lo que hemos podido comenzar con Spitzer”.

Tanto Webb como Spitzer están especializados para la luz infrarroja, que es invisible para los ojos humanos. Pero con su espejo gigante de berilio recubierto de oro y nueve nuevas tecnologías, Webb es aproximadamente 1,000 veces más poderoso. El próximo telescopio podrá llevar los hallazgos científicos de Spitzer a nuevas fronteras, desde la identificación de productos químicos en atmósferas de exoplanetas hasta la localización de algunas de las primeras galaxias que se formarán después del Big Bang.

Más allá de sus descubrimientos, Spitzer también es un pionero para Webb en términos de cómo operar un telescopio de este tipo. Para medir la luz infrarroja con alta sensibilidad, un telescopio debe estar muy frío. Spitzer ha mostrado a los ingenieros cómo se comporta un observatorio infrarrojo en la inmensidad del espacio y qué temperaturas deben esperar los planificadores de misiones para Webb.

“Tener un gran telescopio en el espacio es difícil. Pero tener un enorme telescopio frío es mucho más difícil”, dijo Amber Straughn, científico adjunto del proyecto para James Webb Space Telescope Science Communications. “Spitzer nos ayudó a aprender cómo operar mejor un telescopio muy frío en el espacio”.

Con más de 8,700 artículos científicos publicados basados ​​en los descubrimientos de Spitzer, el telescopio ha sido un gran activo para los astrónomos en una variedad de disciplinas. Muchos de estos resultados tentadores están listos para volver a visitarlos con un telescopio más potente, y Webb está listo para comenzar a investigarlos al principio de su misión. Aquí hay una muestra de los logros de Spitzer sobre los que se basará Webb.

Exoplanetas

Uno de los descubrimientos más impresionantes de Spitzer fue que no solo hay tres, sino siete planetas rocosos del tamaño de la Tierra que orbitan una pequeña y débil estrella llamada TRAPPIST-1. TRAPPIST-1 es uno de los sistemas planetarios mejor estudiados, aparte del nuestro, pero hay mucho más que aprender al respecto.

El cuarto planeta desde la estrella, TRAPPIST-1e, es especialmente interesante porque tiene una densidad y gravedad superficial muy similar a la de la Tierra y recibe suficiente radiación estelar para tener temperaturas lo suficientemente amigables para el agua líquida. Webb observará este planeta para tener una mejor idea de si el planeta tiene una atmósfera y, de ser así, cuál es su química.

La presencia de moléculas como el dióxido de carbono, dominante en Marte y Venus, tendría implicaciones sobre si un planeta podría tener agua líquida y otras condiciones habitables. Webb también podrá detectar el agua atmosférica. Además, Webb buscará calor proveniente de TRAPPIST-1b, el planeta más cercano a su estrella.

“La diversidad de atmósferas alrededor de los mundos terrestres probablemente esté más allá de nuestra imaginación más salvaje”, dijo Nikole Lewis, profesora asistente de astronomía en la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York. “Obtener información sobre el aire en estos planetas será muy útil”.

WASP-18b es otro planeta intrigante que Spitzer examinó y que Webb investigará más a fondo en observaciones al principio de la misión. Este gigante gaseoso, con 10 veces la masa de Júpiter, se encuentra extremadamente cerca de su estrella, completando una órbita una vez cada 23 horas. Debido a su alta temperatura, la friolera de 4.800 grados Fahrenheit (2.650 grados Celsius) y su gran tamaño, se le conoce como un “Júpiter caliente”. Utilizando datos de Spitzer y Hubble, los astrónomos descubrieron en 2017 que este planeta tiene una gran cantidad de monóxido de carbono en su atmósfera superior y poco vapor de agua. Este planeta es particularmente interesante porque está tan cerca de su estrella que está en peligro de ser destruido por completo, y es posible que no sobreviva un millón de años más. Los astrónomos están interesados ​​en usar Webb para observar los procesos que suceden en la atmósfera de este planeta, lo que proporcionará información sobre los Júpiter calientes en general.

Spitzer también ha entregado informes meteorológicos sin precedentes para exoplanetas. En 2007, realizó el primer mapa de la superficie de un exoplaneta, el caliente Jupiter HD 189733b, que muestra sus variaciones de temperatura y la cima de las nubes. Más recientemente, en 2016, Spitzer destacó los patrones climáticos de 55 Cancri e, un mundo posiblemente cubierto de lava de más del doble del tamaño de la Tierra. Pero los mapas de Spitzer han dado a los científicos mucho en qué pensar mientras buscan investigaciones adicionales con Webb.

Otros objetos exóticos

Spitzer también ha avanzado en la identificación y caracterización de enanas marrones. Una enana marrón es más grande que un planeta pero menos masiva que una estrella, y mientras las estrellas generan su propia energía al fusionar hidrógeno, las enanas marrones no lo hacen. Spitzer ha podido mirar las nubes en atmósferas enanas marrones y observar cómo se mueven y cambian de forma con el tiempo. Webb también examinará las propiedades de las nubes enanas marrones y profundizará en la física de estos misteriosos objetos.

La luz infrarroja también ha sido revolucionaria para observar discos de gas y polvo que orbitan estrellas, y tanto Spitzer como Webb son sensibles al brillo infrarrojo de este material. Los discos que Spitzer ha estudiado contienen las materias primas para hacer planetas y pueden representar el estado de nuestro Sistema Solar antes de que se formaran la Tierra y sus vecinos. Spitzer ha visto partículas alrededor de estrellas jóvenes que comienzan a transformarse en semillas de pequeños cuerpos planetarios, y que algunos discos tienen materiales similares a los que se ven en los cometas de nuestro Sistema Solar. Webb puede mirar los mismos discos y descubrir aún más sobre el proceso de formación planetaria.

Montones de galaxias

A medida que la luz viaja de objetos distantes a la Tierra, su longitud de onda se alarga porque el Universo se expande y esos objetos se alejan de nosotros. Al igual que el sonido de una sirena parece bajar en tono cuando una ambulancia se aleja, la luz de las galaxias distantes también disminuye en frecuencia, un fenómeno llamado “desplazamiento al rojo”. Eso significa que las estrellas que emiten luz visible en el Universo temprano aparecerán en el infrarrojo cuando su luz llegue a la Tierra. Esto hace que la luz infrarroja sea una herramienta especialmente poderosa para explorar el pasado antiguo del Universo.

Identificar cientos de miles de millones de galaxias es actualmente imposible, pero Spitzer ha creado grandes catálogos de galaxias que representan diferentes sectores del Universo, que contienen algunas de las galaxias más distantes que conocemos. Las grandes áreas de estudio del Spitzer y el telescopio espacial Hubble han permitido a los astrónomos buscar de manera eficiente objetos que podrían estudiarse con más detalle con Webb.

Por ejemplo, Spitzer, junto con Hubble, tomó una imagen de una galaxia llamada GN-z11, que tiene el récord de la galaxia más distante medida hasta ahora. Es una reliquia de cuando el Universo tenía solo 400 millones de años, solo el 3% de su edad actual y menos del 10% de su tamaño actual.

“Spitzer estudió a miles de galaxias, cartografió la Vía Láctea y realizó otras hazañas innovadoras al observar grandes áreas del cielo”, dijo Sean Carey, gerente del Centro de Ciencias Spitzer en Caltech / IPAC en Pasadena, California. “Webb no tendrá esta capacidad, pero volverá a visitar algunos de los objetivos más interesantes en lo0s estudios de Spitzer para revelarlos con una claridad sorprendente”.

Además, la mayor sensibilidad de Webb permitirá que el telescopio busque galaxias que datan incluso antes en el Universo. Y todavía abundan las preguntas sobre estas galaxias distantes: ¿Hay muchas estrellas formándose en ellas o relativamente pocas? ¿Son ricos en gas o pobres? ¿Hay agujeros negros en sus centros y cómo interactúan esos agujeros negros con las estrellas? Y, los científicos han reflexionado sobre un problema de huevo y gallina durante décadas sobre cuál fue primero: ¿el agujero negro o la galaxia circundante?

“Podremos ver algunas de las primeras galaxias que se formaron en el Universo que nunca hemos visto antes”, dijo Straughn.

Más cerca de casa, Spitzer también estudió muchos ejemplos de un tipo misterioso de galaxia llamada galaxia infrarroja luminosa, o LIRG. Tales galaxias generan decenas a cientos de veces más energía por segundo que una galaxia típica, y la mayor parte de esa energía toma la forma de luz infrarroja lejana. Los científicos han utilizado Spitzer para estudiar LIRG y aprender sobre la formación de estrellas y el crecimiento de agujeros negros durante los períodos de rápida evolución cuando las galaxias colisionan y se fusionan. Tales colisiones fueron aún más comunes hace 6 mil millones a 10 mil millones de años e influyeron en la evolución del Universo tal como lo conocemos.

“Webb se inspirará en Spitzer y examinará una variedad de LIRG cercanos y distantes para aprender más sobre el papel de las fusiones galácticas, las explosiones de formación de estrellas y el crecimiento de agujeros negros supermasivos en la evolución galáctica a lo largo del tiempo cósmico”, dijo Lee Armus de Caltech, quien dirigirá un programa de observación de LIRG para Webb.

Durante más de 16 años, Spitzer trazó muchas de las preguntas más urgentes en astronomía infrarroja. Ahora le corresponde a Webb volver a visitarlos con una visión más nítida, a través de una ventana más grande hacia el cosmos.