Cinco misterios del universo que el telescopio espacial James Webb puede ayudarnos a resolver

La historia de nuestro universo comenzó hace casi 14 mil millones de años con el Big Bang.

Todavía podemos ver el resplandor de esta violenta y repentina expansión del universo.

Grupos de azul claro y azul claro, conocidos como radiación cósmica de fondo de microondas, revelan cambios mínimos en la temperatura y la densidad.

Esta es la primera instantánea de cómo se veía el universo primitivo 400.000 años después de que el Big Bang fuera capturado en la década de 1990 utilizando el satélite Cosmic Background Explorer de la NASA.

Los científicos que dirigieron el trabajo fueron galardonados con el Premio Nobel de Física 2006.

El ganador del premio Nobel John Mather del Goddard Space Flight Center de la NASA lidera ahora otro proyecto que promete contarnos lo que sucedió en el próximo capítulo del universo temprano.

El telescopio espacial James Webb (JWST), que se lanzó a las 11.20 pm AEST, es el telescopio espacial más grande y poderoso jamás construido.

Promete mirar hacia atrás en el tiempo y el espacio para ver las primeras estrellas y galaxias que se formaron a partir de grupos densos y calientes de gas y polvo.

«Espero que esto nos diga sobre el comienzo de todo», dice el Dr. Mather, científico jefe del proyecto de JWST.

“Si todo lo que hacemos es confirmar la historia que ya tenemos, sería divertido.

«Pero creo que también es posible que haya algo que no hemos adivinado todavía que no se ha descubierto».

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Desde el comienzo del universo hasta ahora, aquí hay cinco grandes preguntas que los astrónomos esperan que el telescopio espacial James Webb pueda ayudar a resolver.

¿Cómo eran las primeras galaxias y estrellas?

Durante 300.000 años aproximadamente, el universo fue una niebla caliente de energía y plasma rugiente que la luz no podía penetrar, conocida como la «edad oscura» cósmica.

Durante los siguientes mil millones de años, a medida que el universo se expandió y enfrióY Las primeras estrellas bombearon hidrógeno y helio, haciendo girar el plasma a su alrededor.

Mapa que muestra la luz más antigua de nuestro mundo.
El mapa más detallado de la radiación cósmica de fondo de microondas, tomado en 2013.(Suministrado: Colaboración de la ESA y Planck)

El Dr. Mather dice que esas primeras estrellas eran muy diferentes de las que vemos hoy.

«La predicción es que las primeras estrellas eran cientos de veces más masivas que el Sol, y que en unos pocos millones de años se quemarían y explotarían como supernovas, colapsarían en agujeros negros, o tal vez ambas».

Pero no hemos podido ver cómo se formaron estas primeras estrellas y galaxias.

«Nos falta la primera pieza del rompecabezas», dice Amber Straun, astrofísica del Centro de Vuelo Espacial Goddard y científica adjunta del proyecto en JWST.

Las galaxias más antiguas que pudimos ver existían entre 400 millones y 800 millones de años después del Big Bang.

Estas galaxias fueron capturadas por el Telescopio Espacial Hubble en una famosa imagen llamada Campo Ultra Profundo, que tardó dos semanas en formarse.

Campo ultraprofundo del Hubble
Esta imagen del Hubble captura galaxias que se remontan a 400 millones de años después del Big Bang. James Webb regresará más en el tiempo.(Suministrado: NASA, ESA, H. Teplitz, M. Rafelski (IPAC / Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Universidad Estatal de Arizona), Z. Levay (STScI))

“Hay muy pocas cosas muy raras en esa foto que se remontan tanto”, dice el Dr. Mather.

El nuevo telescopio espacial James Webb es tan poderoso que debería poder mirar hacia atrás en el tiempo, creando una imagen de las galaxias más antiguas en solo unas pocas horas.

«Podremos ver el Big Bang cerca del telescopio Webb, probablemente en 100 millones de años», dice el Dr. Mather.

Ser capaz de ver este límite puede ayudarnos a resolver otro acertijo.

¿Por qué hay agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias?

Agujero negro (EHT 2019)
El agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87 fue fotografiado por primera vez en 2019.(Proveedor: Cooperación con Event Horizon Telescope)

En el centro de cada galaxia se encuentra un agujero negro supermasivo, de millones a miles de millones de veces la masa de nuestro Sol.

En 2019, capturamos la primera imagen de gas orbitando el borde de un agujero negro seis mil quinientos millones de veces la masa del Sol en el centro de la galaxia M87.

Pero no sabemos cómo se crearon monstruos como este agujero negro.

«Una de las formas en que podría suceder es que la primera generación de estrellas hizo pequeños agujeros negros, y luego esos pequeños agujeros negros comenzaron a tragarse otras estrellas o gas, materia oscura o lo que sea que haya para comer». Dice Mather.

Estamos comenzando a ver evidencia de este proceso al observar ondas gravitacionales, pequeñas ondas en el tejido del espacio-tiempo.

Pero hasta ahora, solo hemos visto ondas gravitacionales de objetos de masa estelar relativamente pequeños, dice el Dr. Mather.

«Así que no sabemos cómo crecen hasta llegar a ser millones y miles de millones de veces la masa del Sol».

¿Cómo nacen las nuevas estrellas en la Vía Láctea?

Las estrellas nacen en una enorme nube de gas y polvo conocida como nebulosas.

A lo largo de los años, el telescopio espacial Hubble ha capturado imágenes asombrosas de estos viveros estelares en la Vía Láctea.

Debido a que las nebulosas son tan polvorientas, es difícil ver lo que sucede debajo de las nubes.

Una de las imágenes más famosas tomadas por el Telescopio Espacial Hubble son los icónicos Pilares de la Creación en la Nebulosa del Águila.

Los pilares de la creación de luz visible e infrarroja
Estas imágenes de los pilares de creación de la Nebulosa del Águila demuestran la capacidad del Hubble para capturar imágenes asombrosas en luz visible (izquierda) e infrarroja cercana (derecha).(Suministrado: NASA)

A la izquierda está cómo se ven las barras en el espectro de luz que podemos ver (luz visible), a la derecha cómo se ven en una banda estrecha de luz infrarroja.

El nuevo telescopio espacial James Webb será más poderoso en el rango de infrarrojos.

Debería poder ver más profundamente en las manchas oscuras de la imagen de la derecha.

El Dr. Straugen dice que las imágenes serán asombrosas.

«Una de las mejores cosas de la luz infrarroja es que nos permite mirar hacia abajo a esas nubes polvorientas donde se están formando estrellas y pequeños planetas».

¿Existe otro planeta como la Tierra?

Hace poco más de una década, solo conocíamos los planetas de nuestro sistema solar.

Pero con el advenimiento de los telescopios cazadores de planetas de exploración del cielo como el telescopio espacial Kepler y su reemplazo por el Satélite de reconocimiento de exoplanetas en tránsito (TESS), ahora hemos descubierto más de 4.800 planetas orbitando estrellas exóticas.

«Es casi seguro que hay más planetas en la Vía Láctea que estrellas», dice el Dr. Straw.

Algunos de estos planetas no se parecen a nada en nuestro sistema solar, como los planetas conocidos como subneptuno, que son más grandes que la Tierra pero más pequeños que Neptuno.

Otros planetas son similares en tamaño a la Tierra y orbitan alrededor de la zona habitable del Sol, el punto en el que las temperaturas podrían ser adecuadas para albergar vida.

Impresión artística de TRAPPIST-1 con siete planetas
Se han descubierto siete planetas del tamaño de la Tierra orbitando una estrella cercana conocida como TRAPPIST-1. Al menos tres pueden estar en la zona habitable.(Fuente: NASA / JPL-Caltech)

Por ejemplo, el sistema solar TRAPPIST ubicado a unos 40 años luz de distancia tiene siete planetas orbitando una estrella enana roja aproximadamente el 9% de la masa de nuestro sol.

En teoría, tres de los cuatro planetas podrían tener temperaturas adecuadas para la formación de agua si los planetas tuvieran atmósferas.

Estrellas como TRAPPIST-1 tienden a tener ataques violentos que podrían hacer que los planetas sean inhóspitos.

Los astrónomos determinan si los planetas tienen atmósferas al observar la firma química de la luz que pasa a través del gas cuando el planeta pasa frente a su estrella.

Esta técnica, conocida como espectroscopia, identifica varias moléculas como el agua, el dióxido de carbono y el metano, que absorben la luz en determinadas longitudes de onda.

«Pero si una estrella es tan pequeña, un planeta del tamaño de la Tierra ya está absorbiendo gran parte de su luz», dice el Dr. Mather.

«Actualmente, no podemos realizar espectroscopía en nuestros pequeños planetas similares a la Tierra en absoluto».

Eso está a punto de cambiar con el telescopio espacial James Webb.

Utilizando espectrómetros infrarrojos sensibles, los astrónomos planean realizar el primer estudio detallado de la atmósfera de un planeta de zona habitable.

La potencia adicional del espectrómetro será útil para identificar posibles signos de vida y respaldar misiones espaciales cerca de casa.

¿Podría existir vida extraterrestre en nuestro sistema solar?

Imagen de primer plano parcial de Europa, la luna de Júpiter.
Europa, la luna de Júpiter, puede tener un océano bajo su hielo.(Fuente: NASA / JPL-Caltech / SETI Institute)

Galileo descubrió la luna Europa de Júpiter en 1610.

Los estudios de Europa realizados por la nave espacial Galileo de la NASA en la década de 1990 indicaron un océano debajo de su superficie de hielo agrietado.

“Recientemente descubrimos que sale un poco de agua que fluye entre las grietas del hielo”, dice el Dr. Mather.

Esto abre la pregunta de si este satélite helado de Júpiter podría tener condiciones que podrían sustentar la vida.

La NASA planea enviar una nueva nave espacial a Europa dentro de una década para estudiar su superficie y atmósfera y averiguarlo.

“También vamos a ver [Europa] Usando el telescopio Webb ”, dice el Dr. Mather.

JWST también se utilizará para observar Titán, una de las lunas de Saturno.

Un cuerpo de agua brilla en una luna lejana.
Un colorido mosaico de infrarrojo cercano de Cassini muestra la luz solar brillante de los mares del polo norte de Titán.(Fuente: NASA / JPL-Caltech / Univ. Universidad de Arizona. Idaho)

«La superficie de Titán es lo suficientemente fría como para que el etano y el metano, que usamos como combustibles aquí en la Tierra, se vuelven líquidos», dice el Dr. Mather.

«La superficie tiene lluvia líquida y lagos y tal vez incluso ríos, por lo que hay un clima y una geología interesantes en Titán».

La NASA también planea enviar una misión a Titán en 2034.

El helicóptero Dragonfly realizará varias salidas para tomar muestras y examinar ubicaciones alrededor de la luna helada de Saturno.

«Necesitaremos que Webb continúe durante mucho tiempo, para confirmar realmente [those conditions on Titan]Pero lo veremos lo antes posible «.

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