Cómo el instrumento NIRSpec de Webb abrió 200 ventanas a nuestros orígenes

Las respuestas yacen enterradas en el Universo lejano, tan distante que la luz viajó miles de millones de años para llegar a nosotros, trayendo las imágenes de las primeras galaxias en formación. Este período temprano, solo 200 millones de años después del Big Bang, se encuentra más allá del ya impresionante alcance de los telescopios anteriores. Gracias a NASA/ESA/CSA Telescopio espacial James Webb ahora está saliendo a la vista.

Pero incluso el telescopio espacial más grande es tan bueno como los instrumentos conectados a él, y ahí es donde el NIRSpec entra el instrumento, una de las contribuciones europeas a la misión Webb.

“Al principio del diseño de cualquier instrumento está la ambición de los científicos. Explorar la formación de las primeras estrellas y galaxias realmente dio forma a NIRSpec”, dice Pierre Ferruit, ex científico del Proyecto Webb para la ESA.

NIRSpec es el espectrógrafo de infrarrojo cercano de Webb. Su trabajo es dividir la luz infrarroja recolectada por Webb en sus longitudes de onda constituyentes para formar un espectro. Al medir cómo varía el brillo en diferentes longitudes de onda para un objeto en el espacio, los astrónomos pueden extraer una gran cantidad de información sobre sus características físicas y composición química. Antes de Webb y NIRSpec, era imposible hacer esto para estas galaxias más distantes.

“Ahora que podemos hacer esto, se nos abre una gran vía. Ahora podemos estudiar galaxias lejanas de la misma manera que estudiamos objetos más cercanos”, dice la astrónoma de la ESA Giovanna Giardino.

Los datos permitirán a los astrónomos trazar cómo evolucionaron las galaxias desde las primeras etapas del cosmos hasta los objetos que vemos a nuestro alrededor hoy.

NIRSpec fue desarrollado bajo el liderazgo de la ESA con Airbus Defence and Space Alemania como contratista principal. Airbus reunió a un equipo de setenta personas en sus instalaciones de Ottobrunn y Friedrichshafen, Alemania, y Toulouse, Francia. Además, contaron con el apoyo de la NASA y 17 subcontratistas europeos.

Al principio, el equipo decidió que la mejor manera de lograr el éxito era no complicar demasiado las cosas. “Cuando miras el diseño de NIRSpec, es bastante simple”, dice Ralf Ehrenwinkler, Jefe del Programa NIRSpec en Airbus.

Mantener las cosas simples en la forma en que la luz pasa a través del instrumento permitió al equipo concentrarse en los aspectos revolucionarios del instrumento. El principal de ellos fue la necesidad de registrar eficientemente los espectros de muchos objetos al mismo tiempo, algo que nunca antes se había hecho en el espacio.

Esta capacidad única fue necesaria sin rodeos por el deseo de estudiar el Universo distante, donde las galaxias son tan débiles. Tendríamos que observar miles de ellos para armar una imagen completa de nuestros primeros orígenes.

Nuestros primeros atisbos de este reino llegaron en 1995 con el histórico Campo Profundo del Hubble. Aprovechando su vista imperturbable del cosmos, Hubble observó una sola porción de cielo durante diez días consecutivos, a partir del 18 de diciembre. El parche seleccionado era poco más que una pequeña mota, aproximadamente una 24 millonésima parte de todo el cielo. Sin embargo, Hubble reveló alrededor de 3000 objetos previamente desconocidos, la mayoría de ellos galaxias jóvenes a miles de millones de años luz de distancia.

Gracias al gran espejo de 6,5 metros de Webb, ahora se pueden tomar imágenes de campo profundo similares en horas en lugar de días, y NIRSpec pueden registrar sus espectros. Pero hay tantas galaxias para registrar que sería completamente impráctico si NIRSpec solo pudiera tomar un espectro a la vez. Entonces, el equipo tuvo que encontrar una manera de hacerlo para muchos objetos simultáneamente.

Lo consiguieron espectacularmente.

«Podemos recopilar espectros de hasta 200 objetos a la vez, es un cambio de juego», dice Maurice Te Plate, ingeniero de sistemas NIRSpec para ESA.

Para lograr esta notable proeza de multitarea, NIRSpec utiliza un dispositivo innovador llamado conjunto de microobturadores. Fabricado y suministrado por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, EE. UU., consta de alrededor de un cuarto de millón de diminutas persianas autónomas. Cada uno tiene un tamaño de solo 80 por 180 micrómetros. Se pueden controlar individualmente para abrir o cerrar según sea necesario.

Esto resuelve uno de los mayores problemas de obtener espectros del Universo distante: los espectros de objetos más cercanos, estrellas y galaxias menos distantes, por ejemplo, se interponen en el camino de los más débiles si no están enmascarados.

“Solo dejamos abiertos los que están sobre objetos interesantes, y los demás están todos cerrados. Como tal, solo la luz proveniente de los objetivos seleccionados ingresa a la óptica del espectrógrafo para ser analizada”, dice Maurice.

Además del Universo distante, NIRSpec está diseñado para observar objetos celestes mucho más cercanos a casa: exoplanetas. Las atmósferas de estos mundos absorben parte de la luz infrarroja de su estrella madre que pasa a través de ellos. Al recolectar la luz de la estrella y dividirla en un espectro, NIRSpec permite a los astrónomos buscar las pequeñas cantidades de luz que faltan en longitudes de onda específicas. Luego pueden identificar qué sustancias químicas están presentes en la atmósfera del planeta, así como extraer otra información sobre las condiciones físicas.

«Ahora podemos ver las firmas de muchas moléculas cruciales en la atmósfera de los exoplanetas que no son posibles de ver desde el suelo o con la instrumentación espacial que existía antes de NIRSpec», dice Giovanna.

NIRSpec ofrece a los astrónomos más capacidades. En particular, puede dividir objetos más grandes como galaxias y nebulosas en 30 rebanadas y observar un espectro para cada rebanada, todo de una sola vez. Los mapas resultantes de las condiciones físicas y químicas son clave para comprender el nacimiento y la muerte de las estrellas y el funcionamiento de las galaxias.

Para trabajar en el infrarrojo cercano, NIRSpec y la mayor parte del resto de Webb deben operar a solo 40 Kelvin (–233 °C), mantenidos fríos por el icónico protector solar de Webb. Esto presenta un gran desafío a la hora de fabricar instrumentos científicos precisos. Diferentes materiales se encogen a diferentes velocidades cuando se enfrían, y esto produce ligeras distorsiones en el instrumento que afectan su precisión.

“Esto fue lo más desafiante y es por eso que Airbus decidió fabricar este instrumento principalmente en carburo de silicio. La placa base, la mayoría de las estructuras y los espejos están hechos de carburo de silicio”, dice Ralf.

El carburo de silicio es un material cerámico que, aunque arduo de trabajar, es extremadamente estable a bajas temperaturas. Al hacer la mayor parte del instrumento con él, las distorsiones térmicas podrían eliminarse por completo. Pero significaba estar completamente seguro del diseño antes de que comenzara la fabricación.

NIRSpec comenzó como un bloque de carburo de silicio en el llamado estado verde, donde el material es blando y se puede trabajar. Luego, NIRSpec se mecanizó para darle forma de la misma manera que un artista trabaja la piedra en una escultura. Se perforaron todos los agujeros y canales y una vez que todo estuvo listo, se colocó en un horno para ser ‘sinterizado’. Esto endurece el material, haciéndolo extremadamente arduo de mecanizar. Así que el equipo tenía que estar completamente seguro del diseño antes de comenzar la fabricación.

“Trabajar en carburo de silicio fue definitivamente un desafío y estoy muy orgulloso de que hayamos logrado construirlo”, dice Maurice. En parte como resultado de su éxito, trabajar con el material se ha convertido ahora en una especie de especialidad europea.

El éxito de NIRSpec se puso de manifiesto para el equipo cuando las primeras imágenes y datos comenzaron a fluir de regreso a la Tierra. “No soy científico, soy ingeniero. Por lo tanto, estoy muy feliz de ver que toda la telemetría está en verde y que NIRSpec está funcionando. Pero compartiré que estaba en Baltimore con otras 200 personas cuando se publicaron las primeras imágenes. Todos teníamos lágrimas en los ojos”, dice Ralf.

Y ahora que los datos llegan continuamente, hay muchos otros que sienten lo mismo.

“Estoy bastante sorprendido por la calidad de los espectros que estamos obteniendo. Puedo ver que los observadores también están muy contentos con los datos. Y para mí, eso es para lo que construimos NIRSpec. Creo que todo el equipo siente esto. Ahora que NIRSpec está funcionando, se siente genial”, dice Pierre.

Una vez que se completen los minuciosos análisis de datos, tendremos nuevas respuestas a esas extraordinarias preguntas tan importantes para comprender 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 vida como sabemos que existe.

Es para lo que se creó NIRSpec: abrir muchas ventanas para ver grandes preguntas.

Más información
Webb es el telescopio más grande y poderoso jamás lanzado al espacio. En virtud de un acuerdo de colaboración internacional, la ESA proporcionó el servicio de lanzamiento del telescopio, utilizando el vehículo de lanzamiento Ariane 5. Trabajando con socios, la ESA fue responsable del desarrollo y calificación de las adaptaciones de Ariane 5 para la misión Webb y de la adquisición del servicio de lanzamiento por parte de Arianespace. La ESA también proporcionó el espectrógrafo caballo de batalla NIRSpec y el 50% del instrumento de infrarrojo medio MIRI, que fue diseñado y construido por un consorcio de Institutos Europeos financiados a nivel nacional (El Consorcio Europeo MIRI) en asociación con JPL y la Universidad de Arizona. Webb es una asociación internacional entre la NASA, la ESA y la Agencia Espacial Canadiense (CSA).