Por qué las primeras imágenes del telescopio Webb significan tanto para los científicos

Las primeras imágenes a todo color del telescopio espacial James Webb publicadas el martes no defraudaron, ya que el telescopio, ya operativo, devolvió imágenes de nebulosas brillantes, galaxias danzantes y los sistemas estelares más lejanos con una resolución nunca vista.

Los científicos estaban tan asombrados como el público en general.

Pero las imágenes no se limitaban a comunicar lo sublime.

Aunque las cinco imágenes publicadas el martes eran exposiciones relativamente rápidas diseñadas para mostrar al mundo lo que el Webb puede hacer, han proporcionado sin embargo información científicamente útil que ha abierto el apetito de la comunidad astronómica por observaciones más rigurosas. La información contenida en un espectro de luz de la atmósfera del exoplaneta Wasp-96b ya hace que el Dr. Bean salive por lo que Webb hará por su campo de estudio.

“Realmente va a abrir el campo de las atmósferas de los exoplanetas”, dijo.

Aunque el presidente de EE.UU., Joe Biden, hizo un avance de una de las imágenes de Webb el lunes por la noche, la Nasa presentó el conjunto completo de las cinco primeras observaciones públicas de Webb durante una presentación en directo por Internet el martes por la mañana. Entre ellas, la primera imagen de campo profundo de Webb, la más profunda del universo tomada hasta ahora, imágenes de las brillantes nebulosas Carina y Anillo Sur, una colección de galaxias lejanas atrapadas en una apretada danza gravitacional conocida como Quinteto de Stephan, y el espectro de Wasp-96b.

Todas las observaciones destacan aspectos de la misión de Webb, que incluye el estudio de la evolución de las primeras galaxias, cómo se forman las estrellas y los planetas, así como el estudio de otros planetas y la búsqueda de signos de vida en ellos.

La página web Imagen de campo profundo Webb no habría sido posible sin un telescopio en el espacio tan grande como el Webb, que tiene un espejo primario de 6,5 metros de diámetro frente al espejo de 2,4 metros del telescopio espacial Hubble.

Para crear la imagen, el Webb apuntó con su enorme espejo a una pequeña porción de espacio oscuro del tamaño de un grano de arena sostenido a la distancia de un brazo y tomó 12,5 horas de exposiciones. La imagen resultante de miles de galaxias brillantes como gemas revela algunas que están a 13.100 millones de años luz, y como un año luz es la distancia que recorre la luz en un año, 13.000 millones de años.

“Los objetos muy rojos te dicen que se trata de galaxias muy lejanas”, dijo el Dr. Bean. “Cualquier cosa roja en ese tipo de imagen te dice que es bastante antigua, que está muy distante”.

Esto se debe a que la luz de los objetos más distantes del universo se ha estirado con el tiempo, esas ondas de luz se han estirado por la expansión del propio universo durante miles de millones de años. A medida que la longitud de onda de la luz se hizo más larga, se desplazó fuera del rango de la luz visible y hacia el extremo infrarrojo del espectro – Webb es un telescopio puramente infrarrojo, y uno exquisitamente sensible, precisamente por esta razón.

Sin embargo, incluso los instrumentos finamente ajustados y el enorme espejo de Webb no podrían resolver las galaxias más distantes vistas en la imagen de campo profundo sin ayuda.

Mirando de cerca la imagen, se puede ver cierta distorsión en las formas de las galaxias alrededor del centro. Esto se debe a que Webb enfocó a SMACS 0723, un cúmulo de galaxias más cercano a la Tierra a poco más de 4.000 millones de años luz.

La gravedad del cúmulo de galaxias masivas actúa como una lente, doblando y magnificando la luz de las galaxias mucho más distantes detrás del cúmulo. Mediante esta técnica, conocida como lente gravitacional, los científicos pronto utilizarán el Webb para mirar mucho más atrás en el tiempo. En el mejor de los casos, para mirar hacia atrás hasta 200 millones de años después del Big Bang y captar la formación de las primeras galaxias del Cosmos.

El Nebulosa Carina es una vasta nube de gas, polvo y un vivero de estrellas recién nacidas situada a unos 7.600 años luz de la Tierra en la constelación austral de Carina. La imagen de Webb de la nebulosa de Carina se centra en una porción de la nebulosa más grande conocida como NGC 3324, o los “acantilados cósmicos” debido a su similitud con un horizonte montañoso. Sin embargo, el más alto de los picos de la imagen tiene una longitud de siete años luz. Eso es más largo que la distancia entre la Tierra y la estrella más cercana, Próxima Centauri.

La imagen de Carina de Webb fue creada mediante la fusión de datos tomados con la cámara de infrarrojo cercano del telescopio (NIRCam) y el instrumento de infrarrojo medio (Miri), que reveló aspectos de la nebulosa ocultos en observaciones anteriores del Hubble. La adición del Miri revela estrellas jóvenes con discos de formación de planetas que aparecen de color rosa o rojizo, junto con chorros de gas que fluyen.

A diferencia de Carina, la Nebulosa del Anillo Sur no es una guardería estelar, sino un hogar de ancianos estelar, las capas brillantes de gas y polvo expulsadas por una estrella moribunda en el centro de la nebulosa planetaria. Situada a unos 2.500 años luz de la Tierra, Webb observó la nebulosa con sus dos instrumentos NIRCam Miri, cada uno de los cuales reveló detalles diferentes.

La imagen NIRCam destaca las estrellas brillantes y la compleja estratificación del gas de la nebulosa, mientras que la imagen Miri deja claro que hay dos estrellas orbitando entre sí en el centro de la nebulosa. La estrella más débil está en su lecho de muerte, y es la fuente del gas de la nebulosa, mientras que la estrella más brillante es más joven, aunque eventualmente compartirá el destino de la estrella mayor y contribuirá con su propio gas a la nebulosa.

El gas y el polvo liberados por las nebulosas planetarias pueden acabar formando parte de otras estrellas o de sus planetas.

Quinteto de Stephan es una agrupación de cinco galaxias vistas desde la Tierra. Sólo cuatro de las galaxias están relativamente cerca unas de otras, a unos 290 millones de años luz de la Tierra, con la quinta galaxia en primer plano situada a sólo 40 millones de años luz. Una imagen mucho menos detallada del quinteto de galaxias apareció en la película americana de vacaciones protagonizada por Jimmy Stewart, “It’s a Wonderful Life”.

La imagen de Webb -la más grande del telescopio hasta el momento y compuesta por 1.000 archivos de imagen separados- documenta cómo la gravedad de las cuatro galaxias cercanas que interactúan genera ondas de choque, y arrastra las estrellas y el gas de unas a otras. Los instrumentos de Webb también revelaron el material expulsado por el agujero negro supermasivo del centro de una galaxia, un agujero negro que se alimenta activamente y que emite una energía equivalente a 40.000 millones de soles.

Sin embargo, la imagen del Webb que más entusiasmó al Dr. Bean no fue una vasta nebulosa o una galaxia lejana, sino el espectro de exoplaneta Wasp-96b, el patrón generado por la observación de la luz estelar que se filtra a través de la atmósfera del planeta. Dado que diferentes moléculas absorben diferentes longitudes de onda de la luz, un espectro puede informar a los científicos sobre la composición química de los objetos lejanos.

“Lo especial de este espectro es que se ven, muy claramente a simple vista, las protuberancias y ondulaciones en el espectro que se deben al vapor de agua”, dijo el Dr. Bean. El Hubble y otros instrumentos han detectado antes vapor de agua en los espectros de exoplanetas, pero “hay mucha más información ahí, hay protuberancias y meneos más sutiles que podrían deberse a otras especies químicas.”

Es el espectro más detallado de un exoplaneta jamás recogido, añadió el Dr. Bean, y fue recogido de forma mucho más casual que los próximos espectros de exoplanetas tomados como parte de investigaciones científicas.

“Vamos a perfeccionar esos espectros. Vamos a hacer esto para muchos otros planetas. Vamos a ampliar el rango de longitudes de onda, para poder ver muchas más especies químicas además del agua”, dijo. “A largo plazo, tal vez podamos buscar señales de vida en las atmósferas de los exoplanetas, todo ello utilizando este tipo de técnica que se utilizó para producir un espectro de Wasp-96b”.

El Dr. Bean ha estudiado los exoplanetas durante más de una década anticipando el día en que Webb finalmente comenzara a asomarse al espacio. Está entusiasmado por formar parte de un gran grupo que ya estudia el espectro de Wasp-96b. Pero por muy emocionantes que sean los logros técnicos que han conducido a este momento y los momentos de descubrimiento científico que están por venir, cree que Webb puede inspirar en la gente algo más universal.

“Creo que significa algo bastante importante más allá de la ciencia, que es lo que podemos conseguir cuando las personas encuentran un terreno común y trabajan juntas”, dijo el Dr. Bean, señalando que Webb es una colaboración entremiles de personas, científicos, ingenieros y gestores de programas, en Estados Unidos, Canadá y la Agencia Espacial Europea.

“Mira lo que podemos lograr cuando encontramos ese terreno común y trabajamos juntos, estas hermosas imágenes del espacio exterior, una comprensión más profunda de nuestro universo en el que vivimos”.