WFIRST, el 'sucesor del Hubble'.

WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope) será el siguiente gran observatorio de la NASA luego del James Webb, tendrá un espejo de 2,4 metros de diámetro, similar al del Hubble pero con una focal más corta lo que le permitirá observar un campo amplio del cielo.

Mientras que el Hubble puede ver hasta diez mil galaxias al mismo tiempo, WFIRST captará un millón (!). Gracias a esto WFIRST observará un total de 2700 supernovas lejanas de Tipo Ia con un corrimiento al rojo de hasta 1,7 para determinar la naturaleza de la energía oscura. También podrá obtener el espectro de veinte millones de galaxias y, atención, será capaz de detectar nada más y nada menos que 2600 exoplanetas gracias al método de la microlente gravitatoria. El método de la microlente también permitirá levantar detallados mapas de la distribución de la materia en el Universo, incluida la materia oscura.

Además estará dotado de un coronógrafo. El uso del coronógrafo permitirá visualizar de forma directa decenas de gigantes gaseosos y de hielo alrededor de otras estrellas, así como discos protoplanetarios o cinturones de Kuiper. El coronógrafo ampliaría las capacidades del telescopio de forma increíble, pero tiene un coste adicional de unos 270 millones de dólares, una cifra nada despreciable en una misión que ya tiene un presupuesto bien justo.

La cuestión ahora es si la NASA podrá reunir el dinero para construir este observatorio y lanzarlo la próxima década (2026), algo que no está nada claro teniendo en cuenta que el James Webb se ha tragado casi todos los recursos disponibles para la división astrofísica de la agencia espacial norteamericana.

Telescopios gravitacionales: La misión FOCAL

En una entrada anterior hablamos de los que son las lentes gravitatorias y como pueden ser usadas para la astronomía. Pero si bien estas lentes nos ayudan a ver más lejos, las mismas estan muy alejadas de nosotros y no podemos aprovechar su poder amplificador. Para aprovechar al máximo una lente gravitatoria debemos estar cerca de su foco o sea la region donde convergen rayos de luz de objetos distantes.

Lente gravitatoria

Pues una propuesta de sonda-telescopio espacial propone utilizar al solo como una lente gravitacional gigante para el estudio de todo, de la radiación de fondo cósmica hasta para el estudio de las superficies de los planetas extrasolares.

Objetivo: El punto focal del sol.

Nuestra meta debe ser alcanzar el punto focal del Sol. Aunque recibe este nombre, se trata más bien una esfera situada a partir de las 550 UA. Una nave localizada a esta distancia podría usar el Sol como lente gravitatoria para explorar las estrellas cercanas. Gracias a la relatividad general de Einstein, nuestra estrella se convertiría así en el telescopio espacial definitivo. En teoría, y con un telescopio lo suficientemente grande, seríamos capaces de ver hipotéticas ciudades en la superficie de un planeta alrededor de Alfa Centauri. 

En otras palabras tenemos en ell sol una lente de tal poder que ninguna tecnología razonable nunca podría duplicar o superar su poder.

Claro que en la realidad no sería tan sencillo. Las desviaciones de la forma esférica del Sol o la influencia de la atmósfera solar (cromosfera y corona) hacen que sea realmente complicado emplear el Sol como lente gravitatoria para observar en longitudes de onda visibles. Pero si usamos ondas de radio o microondas la cosa cambia.

Sonda focal empleando al sol como lente gravitatoria.

Ademas el problema disminuye al aumentar la distancia. El punto focal del Sol está a 550 UA, pero la línea focal se extiende hasta el infinito, es decir, la nave espacial se sigue moviendo hacia el exterior mientras continúa su programa de observación. por lo que alejarse hacia afuera es una buena idea, ya que disminuye progresivamente el problema de las distorsiones coronales solares.

Para ello se ha propuesto la misión espacial FOCAL. Esta podría ser una de las grandes misiones del siglo 21, una sonda telescopio enviada al punto focal del sol para aprovechar el efecto de lente gravitatoria. La idea es enviar una sonda equipada con un gran telescopio en dirección opuesta a la zona que se desea observar y el sol provee un aumento de 10^8 lo suficiente como para ver automóviles en un planeta situado en alfa centauro, y lo mejor de todo es que no es ciencia ficción.

Sonda FOCAL

El principal obstáculo al que nos enfrentamos es la enorme distancia al punto focal del sol, 550 UA . Una Unidad astronómica equivale a 150 millones de kilómetros por lo que el punto focal se halla a 82.500 millones de kilómetros, a la luz le toma 77 horas aproximadamente llegar a ese lugar.

Distancias logarítmicas al sol.

Nuestra nave más rápida, la voyager 1 se aleja del sol a una velocidad de 17 kilómetros por segundo, y en 35 años "apenas" ha alcanzado una distancia de 122 UA, por lo que aun le faltan otros 120 años para llegar al puntos focal del sol. Pero con nuestra tecnología es posible, con la suficiente inversión, viajar a velocidades de hasta 10 veces mayor que la voyager 1. 

Una combinación de reactores nucleares y motores iónicos podrían permitir alcanzar el punto focal del sol en un tiempo razonable.

Utilizando reactores nucleares que alimenten a un conjunto de motores iónicos de nueva generación es posible alcanzar una velocidad de más de 100 km por segundo o aproximadamente 20 UA por año, lo que permitiría llegar al punto focal en poco más de 27 años. Esta velocidad se alcanzaría tras dos años de funcionamiento ininterrumpido del sistema de propulsión. El reactor con los motores iónicos se separaría de la sonda tras cumplir con su misión. Durante el resto de viaje la sonda se alimentaría de reactores termoelectricos de radioisótopos.

En el trayecto al punto focal se podrá estudiar al cinturón de Kuiper, además de buscar indicios de la existencia de la nube de Oort 

Pero la ciencia no tiene que esperar a que se alcance el punto focal para empezar, pues existen numerosos objetivos secundarios para una sonda como esta. Por ejemplo, estudiar la heliosfera y el medio interestelar, además de medir el paralaje de las estrellas cercanas gracias a un telescopio equipado con un espejo primario de un metro de diámetro situado en una plataforma móvil, lo que permitiría calcular las distancias a las estrellas de nuestro vecindario galáctico de forma muy precisa. Otros objetivos serían buscar alguna evidencia de la existencia de la Nube de Oort o de algún cuerpo de masa planetaria situado a grandes distancias del Sol.

varias decadas despues del lanzamiento será necesario la instalación de un telescopio de por lo menos 10 metros para asegurar la comunicación a tan grandes distancias.

La comunicación con la nave a estas enormes distancias se garantizaría mediante una antena desplegable de 15 metros de diámetro, aunque también se estudia incorporar un láser de 10 W acoplado al telescopio de la sonda. Para poder recibir la debil señal de la sonda será necesario construir un telescopio de diez metros de diámetro en órbita terrestre. No obstante, la construcción de este telescopio sólo sería imprescindible décadas después del lanzamiento, cuando la sonda se encontrase realmente lejos.

Con el tiempo han surgido otros posible usos para esta sonda como la medición directa de helio 3, deuterio o litio 7 en el medio interestelar con el fin de poner límites a las modelos de nucleosíntesis tras el Big Bang, o el seguimiento preciso de la trayectoria de la sonda para detectar ondas gravitatorias y medir la energía oscura.

La radiación de fondo de microondas podría estudiarse con un detalle inimaginable mediante esta sonda.

Lo realmente interesante es que esta sonda u otra similar capaz de alcanzar el espacio profundos podría ser construida y lanzada con la tecnología actual. Quien sabe que podría revelarnos un instrumento de estas características, estamos ante una de las más grandes aventuras de la humanidad, y esta al alcance de nuestra tecnología. 

Telescopios espaciales III: SAFIR

SAFIR (Single Aperture Far-InfraRed observatory) es un proyecto de un gran telescopio espacial criogénico que estudiaría el universo en la región del infrarrojo lejano.

SAFIR estudiará las fases más tempranas de las galaxias formadoras de estrellas y sistemas planetarios en longitudes de onda en las que estos objetos son más brillantes y que contienen una gran cantidad de información, el infrarrojo lejano, específicamente de 20 micrómetros a un milímetro.

La mayor parte de esta porción del espectro electromagnético no es accesible desde el suelo ya que se absorbe por la humedad en la atmósfera de la Tierra. Se espera que el espejo primario de SAFIR sea de unos 5 a10 metros de diámetro, bastante grande para un telescopio espacial. Incluso existen versiones que utilizando el futuro cohete gigante SLS de la NASA, podrían colocar espejos de hasta 19 metros, lo que provocaría una autentica revolución en la astronomía.

El telescopio SAFIR se enfriará a una temperatura de aproximadamente 5 K, sólo cinco grados Celsius por encima del cero absoluto. (Los avances tecnológicos permiten una temperatura tan baja como 4 K.) La combinación de un espejo de gran tamaño y la temperatura muy fría harán que SAFIR sea más de 1.000 veces más sensible que los telescopios espaciales infrarrojos anteriores. Podría ser lanzado alrededor de 2020.

Ondas Gravitatorias

Ondas Gravitatorias.

Actualización del 11 de febrero 2016: 

Hace unas horas se anunció que por primera vez se detectaron ondas gravitacionales.

El equipo de LIGO (Observatorio de interferometría láser de ondas gravitacionales), junto con decenas de colaboradores alrededor del mundo, anunció que han detectado ondas gravitacionales generadas por la colisión de dos agujeros negros de aproximadamente 36 y 29 masas solares. Dicho evento tomó lugar hace más de 1,300 millones de años, por lo que las señales recién llegaron a la Tierra hace unos meses. Este descubrimiento marca el comienzo de una nueva era en la astrofísica, donde ahora también podremos explorar y estudiar el universo mediante telescopios especializados en detectar ondas gravitacionales.

Uno de los mayores retos de la física moderna consiste en la detección de las llamadas ondas gravitatorias (o gravitacionales, como prefieran) que supondría una muy importante validación de la Teoría general de la relatividad. Pero vayamos por partes, primeramente veamos que son o que creemos que son estas furtivas entidades.

Ondas Gravitatorias.

En primer lugar definamos que es el "espacio-tiempo". La definición estándar nos dice que es la entidad geométrica en la cual se desarrollan todos los eventos físicos del Universo, de acuerdo con la teoría de la relatividad y otras teorías físicas. En otras palabras estamos hablando del vacio o espacio que contiene a todo lo que existe. Su nombre (espacio-tiempo) nace de la necesidad de considerar unificadamente la ubicación geométrica en el tiempo y el espacio, ya que la diferencia entre componentes espaciales y temporales es relativa según el estado de movimiento del observador. Bueno, para no rompernos la cabeza con tantas cuestiones físicas imaginemos que el espacio-tiempo es como una tela bidimensional donde ocurren las cosas.

Curvatura en el espacio-tiempo provocada por la tierra.

Un cuerpo masivo como un planeta o estrella crea una curvatura en dicha tela, siendo la curvatura mucho mayor al aumentar la masa del cuerpo creando pozos gravitatorios intensos. Una nave espacial que este dentro de la influencia de estos pozos deberá generar una determinada cantidad de energía para salir del mismo. En el caso de un agujero negro el pozo gravitatorio es sus cercanías es tan intenso que ni la propia luz puede escapar, pero hablaremos de ellos en una próxima entrada.

Agujero negro.

Entonces una onda gravitacional es una pequeña fluctuación en la curvatura de la tela del espacio-tiempo, la cual se propaga en forma de ola, viajando hacia a fuera a partir de un objeto o un sistema de objetos en movimiento. Fueron predichas por Einstein, y su estudio podría contestar el gran interrogante sobre cuál es la naturaleza de la gravedad. La radiación gravitacional se genera cuando dichas ondas son emitidas por ciertos objetos o por sistemas de objetos que gravitan entre sí.

Son muy débiles. Las más fuertes que se podría esperar observar en la Tierra serían generadas por acontecimientos muy distantes y antiguos, como la colisión de dos estrellas de neutrones o la colisión de dos agujeros negros súper masivos, en los cuales una gran cantidad de energía se movió violentamente. Muchas teoría sobre el universo podrían ser confirmadas o rechazadas dependiendo de la naturaleza de estas ondas.

Los sistemas binarios supermasivos son principales candidatos a producir ondas gravitatorias.

Aunque estas ondas no ha sido aún detectadas directamente, hay evidencia indirecta significativa de su existencia. En una gran cantidad de estudios, astrofísicos de todo el mundo han podido observar, en grupos de estrellas súper masivas, fenómenos que sólo pueden ser explicados con la existencia de dicha teoría. Una de las mayores evidencias se presentaron cuando los físicos Russell Alan Hulse y Joseph Hooton Taylor Jr. descubrieron en 1974 el primer púlsar binario (PSR1913+16). Las observaciones durante varios años han confirmado que el período de rotación de ambos objetos aumenta con el tiempo de la manera predicha por la teoría de la relatividad general, perdiendo energía en forma de ondas gravitacionales. Aunque las ondas gravitarorias no fueron detectadas, el comportamiento de estas estrellas binarias corresponde al propuesto si estuvieran emitiendo ondas gravitacionales.

Pulsares binarios.

Si existen estas ondas, su amplitud y efectos detectables deben ser muy débiles, haciendo extremadamente difícil su detección, por lo tanto solo podríamos detectar aquellas producidas por los fenómenos más violentos del universo como pueden ser: una supernova, formación de un agujero negro, choques entre estrellas de neutrones o agujeros negros, y remanentes del Big Bang.

Estrella de Neutrones.

Supernova.

Agujeros negros binarios.

Todo muy bonito pero, ¿cómo podríamos detectarlas? Una onda gravitatoria que pase por un lugar debería hacer variar la distancia entre dos objetos que se encuentre en ese lugar, claro la variación será muy pequeña. Pues bien debemos diseñar experimentos y dispositivos que puedan detectar estas variaciones.

Estrellas binarias en colisión

LIGO es un experimento de detección de ondas gravitacionales. La sigla proviene de Laser Inteferometer Gravitational-Wave Observatory (Observatorio de interferometría láser de ondas gravitacionales) consiste de un sistema inteferométrico de dos brazos perpendiculares y en condiciones de vacío con un recorrido óptico de 4 km. 

Instalaciones de LIGO.

Pretende detectar las ondas gravitacionales a través de los minúsculos movimientos que deben producir en los espejos Mediante un láser se miden constantemente las distancias entre los espejos, al pasar una onda gravitatoria esta debería variar.

Instalaciones de LIGO.

Las variaciones que el experimento puede medir son del orden de 10-18 m (un átomo de hidrógeno tiene un tamaño 5x10-11 m). LIGO podría detectar a las ondas gravitatorias, aunque quizás la amplitud sea tan pequeña que ni siquiera este instrumento pueda confirmar su existencia.

Los más pesimistas insisten que solo podrían detectarse dichas ondas desde el espacio y para eso existe el proyecto LISA

LISA

Conocida formalmente como "Laser Interferometer Space Antenna" (LISA) es una misión propuesta para detectar ondas gravitatorias desde el espacio. Este era un proyecto apasionante y digo era porque actualmente ninguna agencia espacial lo esta desarrollando. Originalmente era un proyecto conjunto de la NASA y la ESA pero en 2011 la NASA se retiró del proyecto, luego La agencia espacial europea (ESA) revisó el concepto de la nave, con la expectativa de que pudiera ser desarrollada solo por dicha agencia llamandola ahora "The New Gravitational wave Observatory" (NGO), y fue una de las tres candidatas a ser la próxima gran misión de la ESA, pero perdió ante la Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) misión que estudiaría las lunas heladas de Júpiter. Tal vez sea nuevamente candidata para otra misión en el futuro.

Si alguna vez es lanzada LISA sería una formación de tres satélites separados por 5 millones de kilómetros, formando un interferómetro que mediante láser será capaz de detectar ondas gravitatorias con frecuencias de 0,1-0,0001 Hz. Estas frecuencias son inferiores a las observadas por observatorios terrestres como el anteriormente citado LIGO, lo que permitiría estudiar sistemas de agujeros negros binarios supermasivos. Estaría situada en una órbita solar a 50 millones de km detrás de la Tierra y su inclinación sería de 20º con respecto a la eclíptica. 

Parámetros orbitales de LISA.

Este proyecto es increíblemente interesante, lastima que la NASA tiene cada vez menos dinero para misiones científicas. Pero no está todo perdido, el estudio de las ondas gravitatorias figura como una prioridad en ambas agencias espaciales lo que podría revivir este proyecto, u otro similar, en un un futuro próximo.

Telescopios espaciales II: James Webb

El Telescopio Espacial James Webb ( JWST ), anteriormente conocido como el Telescopio Espacial de la Siguiente Generación ( NGST ), es un proyecto de telescopio espacial optimizado para observaciones en el infrarrojo , y un sucesor científico al Telescopio Espacial Hubble y el Telescopio Espacial Spitzer . Las principales características técnicas son una gran y muy frío espejo de 6,5 metros de diámetro, una posición de observación lejos de la Tierra, orbitando en el punto L2 entre la Tierra y el Sol, y cuatro instrumentos especializados. La combinación de estas características le dará al JWST una resolución y sensibilidad sin precedentes en las longitudes de onda que visible al infrarrojo medio, que permitirá lo grar sus dos principales objetivos científicos estudiar el nacimiento y evolución de las galaxias y la formación de estrellas y planetas.

Las capacidades del telescopio JWST permitirán una amplia gama de investigaciones a través de muchos subcampos de la astronomía. Uno de los objetivos en particular implica la observación de algunos de los objetos más distantes en el Universo , más allá del alcance de los telescopios terrestres y espaciales actuales.Esto incluye las primeras estrellas, la época de la reionización , y la formación de las primeras galaxias. Otro objetivo es la comprensión de la formación de estrellas y planetas. Esto incluye imágenes de las nubes moleculares y los grupos de formación estelar, el estudio de los discos de polvo alrededor de estrellas, la fotografía directa de planetas, y el examen espectroscópico de los tránsitos planetarios.

El telescopio es un proyecto de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio , de los Estados Unidos (NASA), con la colaboración internacional de la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Canadiense , incluyendo las contribuciones de quince naciones.


Los instrumentos científicos

El Módulo de Ciencia Instrumento Integrado (ISIM) contiene cuatro instrumentos científicos y una cámara de guía

La primera de ellas es la "NIRCam" (Cámara de Infrarrojo Cercano) es una cámara infrarroja que tendrá una cobertura espectral que va desde el borde de lo visible (0,6 micrómetros) a través del infrarrojo cercano(5 micras). NIRCam también servirá como sensor de frente de onda del observatorio, que se requiere para las actividades de control.

 Modelo computarizado del NIRCam. 

El observatorio también realizará espectroscopía en el rango de longitudes de onda con la cámara NIRSpec (Espectrógrafo Infrarrojo Cercano). El rango de longitud de onda del infrarrojo medio de 5 a 27 micrómetros se medirá por el instrumento MIRI (Mid infrarrojos), que contiene una cámara de infrarrojo medio y unl espectrómetro La Agencia Espacial Canadiense también está proporcionando un módulo sintonizable con filtro (TFI) para capturar imágenes de banda estrecha en el 1,5 a 5 micrómetros de longitud de onda

Componentes del telescopio espacial James Webb

La órbita del JWST será una órbita elíptica (con un radio de 800.000 kilómetros) en torno al semi-estable segundo punto de Lagrange , o L 2 entre la Tierra y el Sol, el telescopio Webb estará en órbita alrededor de 1.500.000 kilómetros de la Tierra, casi 4 veces más lejos que la distancia entre la Tierra a la Luna. Esta distancia tan grande, hará más difícil las misiones de servicio. No obstante, un anillo de acoplamiento se añadió al diseño en 2007 para facilitar esta posibilidad, ya sea por un robot o futura nave espacial tripulada como el MPCV Orion.

Parte inferior del James Webb, nótese el anillo de anclaje situado en el centro. Naves roboticas y/o tripuladas podrían visitar al telescopio.

Nave tripulada Orión, podría transportar astronautas hasta el James Webb para una posible misión de servicio.

Dado que el JWST debe mantenerse muy frío para hacer observaciones precisas de objetos astronómicos distantes, ha sido diseñado con un gran parasol que bloquea la luz y el calor del sol. Para que este escudo funcione correctamente, debe estar permanentemente orientado a nuestra estrella.

El espejo primario del telescopio JWST es de un diámetro de 6,5 metros, hecho de oro recubierto de berilio reflector con un área de recepción de 25 metros cuadrados. Estas dimensiones son demasiado grandes para las lanzaderas actuales, por lo que el espejo está compuesto por 18 segmentos hexagonales, que se encontrarán plegados durante el lanzamiento, y el despliegue de los mismos tendrá lugar después de que el telescopio se encuentre en el espacio. La ausencia de distorsiones atmosféricas permite que no sean necesarios sistemas de ajuste muy complejos.

Detalles de los espejos del James Webb

JWST es el sucesor oficial del Telescopio Espacial Hubble (HST) , pero dado que su énfasis principal se da en la observación infrarroja, es igualmente justo que lo consideran un sucesor del Telescopio Espacial Spitzer . De hecho, el JWST superarán esos dos telescopios, será capaz de ver muchas más estrellas y galaxias antiguas. La observación en infrarrojo es una técnica clave para lograr esto, porque puede penetrar mejor el polvo y el gas que ocultan los cuerpos astronómicos ubicados detrás, además permite la observación de los objetos más fríos débiles.

Esta es la misión astronómica más importante de esta generación, los descubrimientos que pondrá al alcance de los científicos prometen revolucionar nuestro entendimiento del universo. Se espera que el telescopio sea lanzado en el año 2018. El observatorio está programado para ser lanzado por un cohete Ariane 5 desde el Centro Espacial de Guyana Kourou , Guayana Francesa.

Animación que nos muestra la extracción y despliegue del telescopio espacial James Webb, debido a las dimensiones del telescopio no puede ser lanzado por ningun lanzador actual, por lo tanto irá plegado al espacio y posteriormente se abrirá y desplegará.