Por qué el telescopio espacial James Webb va a revolucionar nuestra forma de ver el universo

Detrás del cristal, sellado dentro de una sala limpia, el telescopio espacial James Webb (JSWT) parecía una exposición de museo, un artefacto destinado a ser preservado y venerado. Sin embargo, su viaje apenas ha comenzado. Un ejército de técnicos  preparaba el telescopio para su próximo viaje de un millón de kilómetros al espacio, donde el ojo de panal dorado del observatorio mirará hacia atrás en el tiempo, observando los primeros inicios de los planetas, las estrellas y las galaxias.

El 25 de diciembre de 2021 a las 13:20 p.m., hora española, un cohete Ariane 5 despegó desde el Centro Espacial de la Guayana, con este ojo de 6 metros de ancho plegado como una concha. Este instrumento de 10 000 millones de dólares (8 854 millones de euros), que brilla en tonos dorados, plateados y lavanda arrugados, es demasiado grande para caber en uno de los mayores cohetes del mundo, el Ariane 5, sin ser plegado.

La NASA corre con la mayor parte de la factura de la misión, pero la Agencia Espacial Europea, que ha contribuido con dos de los cuatro instrumentos científicos que llevará a bordo, y en cuyo desarrollo ha participado un equipo de científicos españoles, es la responsable del lanzamiento del telescopio. 

"España, a través del Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA) tiene una importante participación en esta misión, siendo uno de los pocos centros a nivel mundial que participan en dos de los cuatro instrumentos del James Webb, NIRSpec y MIRI. Además, la participación española en estos instrumentos ha estado liderada por dos investigadores del CSIC, Santiago Arribas (NIRSpec) y Luis Colina (MIRI)", cuenta el organismo científico español en una nota de prensa.

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Esta extensa instalación de lanzamiento está excavada en la franja de la selva amazónica nororiental. Algunas partes del puerto espacial son tan remotas que no es raro ver a los jaguares deslizándose por las carreteras vacías. En el interior de los altos y cavernosos edificios donde se ensamblan los cohetes, las embriagadoras melodías de los pájaros tropicales son a menudo más ruidosas que el estruendo de los artilugios que preparan las máquinas de la humanidad para sus viajes a las estrellas.

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En el caso del JWST, los vibrantes paisajes que rodean el complejo sirven para recordar la misión del telescopio espacial: ayudar a los científicos a entender cómo hemos llegado hasta aquí; cómo, a partir de la maraña de moléculas, estrellas, galaxias, agujeros negros y planetas que pueblan el universo, surgieron los ingredientes necesarios para la vida y se combinaron para crear este lugar llamado Tierra. ¿Son las condiciones que favorecieron esta próspera y ruidosa biosfera comunes entre los millones, o quizás miles de millones, de planetas rocosos que pueblan la galaxia?

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Para buscar respuestas, el JWST observará cientos, quizá miles de exoplanetas antes de que termine su misión. Observará mundos de lava infernales con superficies fundidas que giran alrededor de sus estrellas en apenas unas horas. Estudiará mundos que, de algún modo, han sobrevivido a la violenta muerte de sus estrellas y ahora orbitan alrededor de sus cadáveres estelares sobrantes. Observará las atmósferas de los planetas gigantes gaseosos, buscará mundos recién nacidos entre los discos polvorientos que se aferran a las estrellas nacientes y entrecerrará los ojos ante un puñado de pequeños mundos rocosos que podrían ser similares a la Tierra.

De los miles de exoplanetas que hemos visto en nuestra galaxia, sólo un puñado se parece a los planetas que vemos en nuestro propio sistema solar. El resto son innegablemente extraños.

"Uno de los mayores descubrimientos que hemos hecho en el campo de los exoplanetas es que la diversidad de planetas en la galaxia es mucho mayor que la diversidad de planetas en nuestro propio sistema solar", dice Natasha Batalha, del Centro de Investigación Ames de la NASA. "Queremos entender el proceso que llevó a la Tierra a tener un entorno habitable. El hecho de que tengamos océanos de agua líquida y oxígeno, ¿es único o es bastante común dentro de la galaxia?"

Pero antes, el JWST ha tenido que sobrevivir a su ardiente viaje al espacio y a una serie de acontecimientos que tienen a los astrónomos de todo el mundo expectantes.

"Estoy un poco nervioso", dice Peter Jensen, de la ESA, consultor principal de la misión y antiguo director del proyecto, mientras miraba el brillante caparazón a través de las ventanas de la sala blanca. Tras el lanzamiento, el telescopio se enfrentó a una larga secuencia de maniobras a vida o muerte que salieron exactamente como estaba previsto, incluyendo el despliegue de su espejo dorado y el despliegue de un enorme y crucial parasol. "Estoy muy confiado con respecto al lanzamiento", dice Jensen. "Pero tengo formación en ingeniería mecánica, así que tengo menos confianza respecto a todos los elementos desplegables". Era una desconfianza que se probó innecesaria.

Los muchos planetas de la Vía Láctea

Al igual que muchos de los proyectos científicos y de ingeniería más ambiciosos de la humanidad, el viaje del JWST hasta la plataforma de lanzamiento se vio envuelto en retrasos técnicos y presupuestos desorbitados. Más recientemente, ha surgido una polémica sobre el nombre del telescopio. Pero si todo va según lo previsto, este telescopio insignia, considerado el sucesor del venerable Telescopio Espacial Hubble, debería ofrecer una cornucopia de delicias científicas.

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El JWST verá el universo principalmente en luz infrarroja. Una vez que su enorme ojo dorado se abra, la exquisita sensibilidad del observatorio permitirá al telescopio espiar las débiles y lejanas firmas de las primeras estrellas y galaxias que poblaron el universo.

Esa sensibilidad también le ayudará a observar directamente mundos extraterrestres, aunque nadie podría haber planeado utilizar el telescopio para este propósito cuando fue diseñado. Cuando se concibió el JWST en 1989, aún no se habían descubierto planetas en órbita alrededor de otras estrellas. Las teorías de formación de planetas sugerían que debían existir tales mundos, pero los primeros exoplanetas no se anunciaron hasta 1992.

"Al principio, cuando nació el observatorio, creo que ni siquiera se hablaba de exoplanetas", dice Jensen. "Los exoplanetas llegaron más tarde, cuando empezamos a descubrir que realmente existían".

Recientemente, cazadores de exoplanetas como el telescopio espacial Kepler de la NASA han revelado que los mundos que orbitan alrededor de otras estrellas en la Vía Láctea son tan comunes como los granos de arena en la Tierra. Esta abundancia ofrece al equipo del JWST una notable oportunidad para estudiar en detalle algunos de los mundos más intrigantes.

Al bloquear la luz de las estrellas madre de los planetas con un instrumento llamado coronógrafo, el JWST puede obtener imágenes directas de algunos de estos débiles y lejanos mundos en órbita, incluso de aquellos que aún podrían estar formándose. El telescopio puede mirar a través de las atmósferas alienígenas y determinar de qué están hechas las cubiertas de gas y cómo han evolucionado a lo largo de la vida de un planeta. Y puede leer firmas moleculares en el brillo diurno de los planetas.

"¿Cómo llegaron estos planetas a donde están hoy? ¿Cómo evolucionaron? ¿Y qué escenario podría conducir potencialmente a las biofirmas, a la vida?", se pregunta Knicole Colón, de la NASA, que estudia los mundos extraterrestres y es el científico adjunto del proyecto de la misión de exoplanetas del JWST. "Tenemos que estudiarlo todo para responder a estas preguntas", dice; "porque en nuestro sistema solar tenemos todos estos planetas y sólo uno tiene definitivamente vida en él".

Diseccionando las atmósferas planetarias

Unos seis meses después de llegar al espacio, el JWST comenzará a beber la luz de las estrellas y a estudiar mundos lejanos. Cuando los planetas pasen entre sus estrellas y el telescopio, durante un breve momento sus atmósferas aparecerán en silueta, iluminadas por la luz estelar que brilla desde atrás. En esa luz estelar, Webb leerá las firmas de los gases atravesados por la luz.

Entre los primeros objetivos de tránsito de Webb se encuentra un conjunto de sistemas extremos y rarezas planetarias, como WD 1856b, un planeta gigante que orbita alrededor de un cadáver estelar, y HD 80606b, un planeta cuya órbita se parece más al bucle alargado y desigual de un cometa alrededor de su estrella que a la trayectoria más circular de un planeta.

Estos sistemas extremos podrían contener pistas sobre cómo se forman y sobreviven los distintos tipos de planetas, afirma Colón. Además, al estudiar los gases que se adhieren a una multitud de mundos, el JWST ayudará a los científicos a entender cómo el tamaño, la temperatura y la evolución de un planeta están relacionados con su clima y otras características. "¿Cómo se comparan todas estas atmósferas, desde el tamaño de la Tierra hasta el de Júpiter?" se pregunta Colón.

Muchas de las primeras observaciones del telescopio se centrarán en los Júpiter calientes, una clase de planetas que no vemos en nuestro sistema solar. Estos mundos gigantes, que giran alrededor de sus estrellas en cuestión de horas o días, son uno de los tipos de planetas más comunes descubiertos hasta ahora por los astrónomos.

Natalie Batalha, de la Universidad de California en Santa Cruz (Estados Unidos), dirige uno de los primeros programas de observación de exoplanetas del JWST. Ella y su equipo observarán tres Júpiter calientes: WASP-39b, WASP-18b y NGTS-10b. Los investigadores pondrán a prueba los cuatro instrumentos del telescopio y buscarán la proporción de carbono y oxígeno en las atmósferas de los planetas, que contienen información sobre el lugar donde se formaron los planetas. El equipo también comparará lo que ve el Webb con observaciones anteriores del Hubble.

"Queríamos tener un punto de referencia con el que poder comparar los datos", dice Batalha. "Y veremos lo que sabíamos del Hubble, pero también habrá sorpresas y algo completamente nuevo".

Otro tipo intrigante de planeta que no vemos en el sistema solar es la súper-Tierra, o los mini-Neptunos -mundos más grandes que la Tierra y más pequeños que Neptuno, como Gliese 486b, GJ 1132b y K2-18b.

"Estos mundos han estado fuera del alcance del Hubble, y son una clase de planeta muy importante. Están entre los planetas más comunes que conocemos, y realmente no sabemos cómo se forman", dice Laura Kreidberg, del Instituto Max Planck de Astronomía. "Todavía estamos discutiendo: ¿son super-Tierras? ¿Son mini-Neptunos? ¿Son algo más?".

Averiguar si estos planetas tienen atmósferas, y de qué están hechas esas atmósferas, es crucial para determinar si podrían ser habitables. Natasha Batalha, la hija de Natalie, codirige uno de los mayores programas de observación de exoplanetas tempranos de la misión, que observará alrededor de una docena de estos planetas de tamaño intermedio.

La posibilidad de que estos mundos sean habitables depende de dónde y cómo se formaron y cómo evolucionaron. Algunos podrían ser los núcleos despojados de antiguos Neptunos, dice Natalie Batalha, lo que disminuye las probabilidades de habitabilidad. Otros se encuentran justo en la frontera entre los grandes mundos rocosos y los pequeños mundos gaseosos, una transición que los científicos aún no comprenden del todo.

Otros de los primeros objetivos incluyen planetas rocosos calientes que están acurrucados con sus estrellas, lo que los hace más parecidos a trozos de carbón asado que a bolas de aire recalentadas. En estos mundos, entre los que se encuentran 55 Cancri e y K2-141b, podría llover lava y las nubes podrían estar hechas de roca y minerales, creando un paisaje que desafía la imaginación. Kreidberg quiere averiguar de qué está hecha la superficie de un mundo de lava llamado LHS 3844b y ver si hay una inesperada y diminuta atmósfera aferrada a él.

"Los planetas rocosos, creo que es ahí donde el JWST realmente dejará su huella", dice Kreidberg. "No tanto en las biofirmas, sino en estas preguntas más básicas. ¿En qué condiciones se puede esperar que sobreviva una atmósfera? ¿Cómo de caliente se puede hacer un planeta antes de que la atmósfera se escape? Si los planetas tienen atmósferas, ¿cuáles son sus componentes básicos?"

JWST también apuntará a cada uno de los siete mundos rocosos del tamaño aproximado de la Tierra en el sistema TRAPPIST-1. Estos planetas orbitan alrededor de una pequeña estrella cercana del tamaño de Júpiter, y tres de ellos son templados. TRAPPIST-1e, entre los primeros objetivos, ofrece quizás la mejor oportunidad de detectar condiciones similares a las de la Tierra, mientras que TRAPPIST-1c, otro de los primeros objetivos, está más cerca de su estrella y probablemente tenga una temperatura similar a la de Venus.

"El objetivo de este programa es muy sencillo", afirma Kreidberg, que dirige la observación de TRAPPIST-1c. "Se trata simplemente de averiguar si el planeta tiene una atmósfera o no. No tenemos ninguna pista".

Fotografiando planetas

No todos los objetivos planetarios del JWST transitan por sus estrellas madre. Algunos trazan órbitas cientos de veces más alejadas de su estrella que la Tierra del Sol, dando vueltas en sistemas que podemos ver de arriba abajo (o de abajo arriba).

Una parte de las primeras observaciones de exoplanetas tomarán imágenes directas de los planetas en este tipo de sistemas bloqueando la estrella anfitriona, aunque los planetas sólo se verán como pequeños pinchazos de luz en las imágenes. La mayoría de estas observaciones se centrarán en planetas grandes -gigantes de gas y quizás de hielo- que están muy lejos de sus estrellas y, por tanto, son más fáciles de detectar cuando se borra la luz de la estrella. Estas observaciones permitirán a los científicos conocer mejor las estructuras de las atmósferas, los tipos y cantidades de nubes que pueden existir y las cantidades relativas de moléculas como el metano y el monóxido de carbono que pueden indicar el lugar de nacimiento de un planeta.

"La formación de un planeta es un proceso increíblemente desordenado. Hay restos y polvo por todas partes", afirma Sasha Hinkley, de la Universidad de Exeter (Reino Unido), que dirige uno de los primeros programas de obtención de imágenes directas. Cuando los astrónomos utilicen el JWST para medir la composición de un planeta, tendrán que determinar qué material es intrínseco al planeta y cuál fue recogido durante su formación y evolución. "Naturaleza y crianza", dice Hinkley. "Eso es lo que estamos tratando de desentrañar".

Las imágenes directas también ayudarán a los científicos a buscar planetas alrededor de estrellas como Alfa Centauri A, una de las más cercanas al sol. Durante años, los científicos se han preguntado si hay mundos orbitando alrededor de nuestro vecino más cercano al sol. Las primeras pruebas de un mundo de este tipo están pendientes de confirmación. Otros sistemas que JWST fotografiará son HR 8799, donde al menos cuatro grandes planetas giran alrededor de su estrella anfitriona; Beta Pictoris, que alberga al menos dos grandes planetas; y 51 Eridani, que alberga uno de los planetas más fríos y ligeros descubiertos por imagen directa hasta la fecha.

La larga búsqueda de vida

Aunque el JWST transformará nuestra comprensión de los mundos que pueblan nuestra galaxia, es poco probable que el telescopio detecte señales de vida, a menos que los científicos tengan mucha suerte. Este tipo de observación está en el límite de las capacidades del telescopio, y requeriría una gran cantidad de tiempo de observación.

"Encontrar vida va a ser difícil, y no estoy muy seguro de que vayamos a detectar biosignaturas, pero creo que podremos decir algo sobre las atmósferas de estos planetas alrededor de estrellas pequeñas", dice Kevin Stevenson, del Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins en Washington (Estados Unidos), que observará cinco planetas rocosos con el JWST.

La detección de biofirmas alienígenas lejanas implica la búsqueda de combinaciones de gases o elementos químicos que los científicos no esperarían que los procesos geológicos produjeran por sí solos. Y aunque los astrobiólogos tienen algunas ideas sobre lo que podríamos buscar -metano, ozono y otros subproductos metabólicos-, no está claro qué forma podrían adoptar las firmas de vida alienígena.

Entre los primeros objetivos planetarios hay un puñado de mundos rocosos del tamaño de la Tierra, pero orbitan en torno a estrellas pequeñas y rojizas que son propensas a tempestuosos estallidos de radiación que podrían esterilizar sus superficies. Lo primero que intentará determinar el JWST es si esos mundos tienen atmósfera.

"Todavía hay muchas preguntas sin respuesta sobre si un planeta que está alrededor de una estrella tan pequeña podría tener una atmósfera", dice Natasha Batalha. "Olvídate de las bioseñales: ¿pueden siquiera mantener atmósferas?".

El JWST puede, sin embargo, establecer el marco para futuros intentos de detectar biosferas.

"Lo que hemos visto hasta ahora es que cada exoplaneta es un copo de nieve, en el sentido de que es único, y parece que no podemos hacer cara o cruz con la población en su conjunto", dice Stevenson. "Creo que Webb nos dará esa imagen completa, y nos abrirá la puerta para poder entender estos planetas".

En última instancia, el telescopio ayudará a los científicos a saber si el estudio de las atmósferas en silueta -como los planetas que transitan por sus estrellas- puede ser una técnica exitosa para detectar señales de vida.

"Puede que veamos que no podemos extraer las señales que buscamos", dice Stevenson. "Puede que haya un límite fundamental en lo que podemos aprender sobre planetas potencialmente habitables utilizando la técnica de tránsito. Y eso está bien, porque una vez que comprendamos ese límite, podremos pasar a otras técnicas."

Aunque el JWST aún no ha despegado, los científicos ya están diseñando su sucesor: un gran telescopio espacial con la misión específica de detectar las biofirmas de los mundos extraterrestres similares a la Tierra. Este instrumento no se lanzará hasta dentro de unas décadas, por lo que las observaciones exoplanetarias del JWST son aún más cruciales mientras tanto.

"El público quiere una detección de vida, pero todo esto es necesario para entender dónde van a estar las moradas más probables de vida", dice Natalie Batalha. "Hay que entender los procesos físicos que impulsan la diversidad para comprender dónde residen los entornos habitables".

Durante unos días más, todo este poderoso potencial está encaramado en lo alto de un cohete, rodeado de densas selvas tropicales que se extienden hasta un cálido mar de color café. Tal vez algún día sepamos si en los paisajes extraterrestres también hay selvas de esta belleza, si los insectos de otro mundo pululan en atmósferas lejanas y si los ríos y mares extraterrestres también albergan vida.

El primer paso es conocer a nuestros vecinos exoplanetarios, y el JWST nos ayudará a verlos con más detalle que nunca.