NeoFronteras

Hoy se han hecho públicas nuevas imágenes del telescopio espacial James Webb y son tan fantásticas como imaginábamos.

Las imágenes del Webb que la NASA ha hecho públicas hoy constituyen un aperitivo de lo que este observatorio espacial podrá hacer. No son estrictamente las primeras, pues sí se mostraron otras de calibración anteriormente de poco valor estético o científico. Tampoco se puede decir que el objetivo de estas imágenes sea estrictamente científico, pues tienen también un aspecto publicitario. Pero son fantásticas, preciosas. Unas gotas de belleza entre tantas noticias negativas que nos acogotan en estos tiempos.

Un pequeño equipo de astrofísicos y expertos en divulgación científica seleccionó los objetivos para mostrar la capacidad del nuevo telescopio y sorprender al público. En las pasadas semanas se han ido obteniendo y ahora se hacen públicas. Aunque el telescopio se lanzó hace medio año, durante este tiempo ha habido que esperar que tanto el telescopio como los instrumentos se enfriaran, pues observa en el infrarrojo y cualquier cuerpo caliente emite en esta gama de ondas electromagnéticas. También ha sido necesario alinear y ajustar los espejos e instrumentos de observación.

Estas son las nuevas imágenes. Nos remitimos a la entrada de ayer para saber sobre la primera imagen que se hizo púbica. Para mayor resolución nos remitimos a las notas de prensa de la NASA.

Nebulosa del Anillo Sur

La Nebulosa del Anillo Sur, catalogada como NGC 3132, es una capa de gas expulsada de una estrella moribunda a unos 2500 años luz de nosotros. Esto es, una nebulosa planetaria que se ha generado tras la fase de gigante roja de una estrella de baja masa y que ahora distribuye elementos químicos a su alrededor. Se revelan detalles que antes estaban ocultos a los astrónomos. El Webb ha tomado dos imágenes con distintas cámaras:

Comprender qué moléculas están presentes y dónde se encuentran en las capas de gas y polvo ayudará a los investigadores a refinar su conocimiento sobre las nebulosas planetarias.

Esta observación muestra la Nebulosa del Anillo Sur casi de frente, pero si pudiéramos rotarla para verla de canto, su forma tridimensional se vería más claramente como dos cuencos colocados juntos en la parte inferior, separándose uno del otro con un gran hueco en el centro.

Las dos estrellas encerradas, que órbitan muy cerca entre sí, dan forma al paisaje local. Las imágenes infrarrojas de Webb presentan nuevos detalles en este complejo sistema. Las estrellas, y sus capas de luz, son prominentes en la imagen de la cámara de infrarrojo cercano de Webb (NIRCam), a la izquierda, mientras que la imagen del instrumento de infrarrojo medio de Webb (MIRI), a la derecha, muestra por primera vez que la segunda estrella está rodeada de polvo. La estrella más brillante se encuentra en una etapa anterior de su evolución estelar y probablemente expulsará su propia nebulosa planetaria en el futuro.

Cada capa representa un episodio en el que la estrella más débil perdió parte de su masa. Las capas de gas más anchas hacia las áreas exteriores de la imagen fueron expulsadas antes. Las más cercanas a la estrella son los más recientes.

Las observaciones realizadas con NIRCam también revelan rayos de luz extremadamente finos alrededor de la nebulosa planetaria. La luz estelar de las estrellas centrales pasa por donde hay huecos en el gas y el polvo, como la luz del sol a través de los huecos en una nube.

A medida que la estrella expulsa capas de material, se forman polvo y moléculas en su interior, lo que cambia el entorno incluso cuando la estrella todavía continúa expulsando material. Este polvo finalmente enriquece las áreas a su alrededor, expandiéndose a través del medio interestelar. Y dado que tiene una vida muy larga, el polvo puede terminar viajando por el espacio durante miles de millones de años e incorporarse a una nueva estrella o planeta.

Nebulosa de Carina

La Nebulosa de Carina es una enorme extensión de gas y estrellas que incluye algunos de los sistemas estelares más masivos de nuestra galaxia, estrellas que potencialmente serán supernovas en el futuro. Estas supernovas sembrarán el cosmos de elementos más pesados que el hidrógeno, por lo que favorecerán la existencia de planetas y vida, tal y como sucedió en el pasado.

Este paisaje de «montañas» y «valles» salpicado de estrellas brillantes es en realidad el borde de una joven región de formación estelar cercana llamada NGC 3324 en la Nebulosa Carina. NGC 3324 fue catalogado por primera vez por James Dunlop en 1826 y es visible desde el hemisferio sur. En esta imagen se revelan por primera vez áreas de nacimiento de estrellas previamente invisibles.

La imagen, aparentemente tridimensional, de Webb parece formada por montañas escarpadas en una noche iluminada por la Luna. En realidad, es el borde de la cavidad gaseosa gigante dentro de NGC 3324 y las «cumbres» más altas en esta imagen tienen unos 7 años luz de altura. El área cavernosa ha sido excavada en la nebulosa por la intensa radiación ultravioleta y los vientos estelares de estrellas jóvenes, que están calientes y son extremadamente masivas. Están ubicadas en el centro de la burbuja, sobre el área que se muestra en esta imagen.

La abrasadora radiación ultravioleta de las estrellas jóvenes está esculpiendo la pared de la nebulosa y la erosiona lentamente. Dramáticos pilares se elevan sobre la pared brillante de gas, resistiendo esta radiación. El «vapor» que parece ascender de estas «montañas» celestiales es en realidad gas ionizado caliente y polvo caliente que sale de la nebulosa debido a la implacable radiación.

Webb revela viveros estelares emergentes y estrellas individuales que están completamente ocultas en las imágenes de luz visible tradicionales. Debido a la sensibilidad de Webb a la luz infrarroja, se puede mirar a través del polvo cósmico para ver estos objetos. Chorros protoestelares, que emergen claramente en esta imagen, salen disparados desde algunas de estas estrellas jóvenes. Las fuentes más jóvenes aparecen como puntos rojos en la región oscura y polvorienta de la nube. Los objetos en las primeras y rápidas fases de formación de estrellas son difíciles de capturar, pero la extrema sensibilidad, la resolución espacial y la capacidad de obtención de imágenes de Webb pueden registrar estos escurridizos eventos.

Estas observaciones de NGC 3324 arrojarán luz sobre el proceso de formación estelar. El nacimiento de estrellas se propaga con el tiempo, desencadenado por la expansión de la cavidad erosionada. A medida que el borde brillante de gas ionizado se mueve hacia la nebulosa, se empuja lentamente el gas y el polvo. Si el borde encuentra algún material inestable, el aumento de la presión hará que el material colapse y formen nuevas estrellas.

Por el contrario, este tipo de perturbación también puede impedir la formación de estrellas a medida que el material de formación de estrellas se erosiona. Este es un equilibrio muy delicado entre provocar la formación de estrellas y detenerla. Webb abordará algunas de las grandes preguntas abiertas de la astrofísica moderna: ¿Qué determina la cantidad de estrellas que se forman en una determinada región? ¿Por qué cada estrella se forma con una determinada masa?

Webb también revelará el impacto de la formación estelar en la evolución de gigantescas nubes de gas y polvo. Si bien el efecto de las estrellas masivas, con sus vientos violentos y alta energía, a menudo es evidente, se sabe menos sobre la influencia de las estrellas de baja masa que son más numerosas. A medida que se forman, estas estrellas más pequeñas crean chorros estrechos y opuestos que se ven en esta foto y que pueden inyectar mucho impulso y energía en las nubes. Esto reduce la fracción de material que genera nuevas estrellas.

Hasta este momento, los científicos han tenido muy pocos datos sobre la influencia de la multitud de estrellas de baja masa jóvenes y más energéticas. Con Webb, podrán obtener un censo completo de su número y su impacto en toda la nebulosa.

Ubicada aproximadamente a 7600 años luz de distancia, NGC 3324 fue fotografiada por la cámara NIRCam de Webb y el instrumento de infrarrojo medio MIRI:

NIRCam, con su resolución nítida y sensibilidad sin igual, revela cientos de estrellas previamente ocultas e incluso numerosas galaxias del fondo.

Desde el punto de vista de MIRI, las estrellas jóvenes y sus discos polvorientos de formación de planetas brillan intensamente en el infrarrojo medio, apareciendo en color rosa y rojo en la imagen de falso color. MIRI revela estructuras que están incrustadas en el polvo y descubre las fuentes estelares de chorros y flujos de salida masivos. Con MIRI, el polvo caliente, los hidrocarburos y otros compuestos químicos en la superficie de las crestas brillan, dando la apariencia de rocas irregulares.

Quinteto de Stephan

El Quinteto de Stephan es un compacto cúmulo de galaxias a unos 290 millones de años luz de nosotros en la constelación de Pegaso, aunque la que está en primer plano está a solo 40 millones de años luz de distancia. El grupo fue descubierto por Édouard Stephan en 1877 en el Observatorio de Marsella y fue el primer grupo compacto de galaxias en ser descubierto. Los cúmulos de galaxias son los ladrillos de los que está hecha la estructura a gran escala del Universo.

En la imagen se muestra cómo las galaxias que interactúan provocan la formación de estrellas entre sí y cómo se altera el gas en las galaxias. La imagen también muestra flujos de salida impulsados por un agujero negro supermasivo con un nivel de detalle nunca antes visto.

Cúmulos brillantes de millones de estrellas jóvenes y regiones de brotes estelares de nacimiento de estrellas adornan la imagen. Estelas de barrido de gas, polvo y estrellas están siendo extraídas de varias de las galaxias debido a las interacciones gravitatorias. Más dramáticamente, Webb captura enormes ondas de choque cuando una de las galaxias, NGC 7318B, atraviesa el cúmulo.

Aunque se llama un «quinteto», solo cuatro de las galaxias están realmente juntas y atrapadas en una danza gravitatoria. La quinta y más a la izquierda, llamada NGC 7320, está en primer plano en comparación con las otras cuatro. NGC 7320 está a 40 millones de años luz de la Tierra, mientras que las otras cuatro galaxias (NGC 7317, NGC 7318A, NGC 7318B y NGC 7319) están a unos 290 millones de años luz de distancia. Todas ellas están bastante cerca en términos cósmicos en comparación con las galaxias más distantes a miles de millones de años luz de distancia. Estudiar galaxias relativamente cercanas como estas ayuda a los científicos a comprender mejor las estructuras que se ven en un universo mucho más distante.

Esta proximidad proporciona a los astrónomos un asiento de primera fila para presenciar las fusiones e interacciones entre las galaxias, que son cruciales para toda la evolución de las galaxias. Rara vez los científicos ven con tanto detalle cómo las galaxias que interactúan desencadenan la formación de estrellas y cómo se altera el gas en estas galaxias. El Quinteto de Stephan es un laboratorio fantástico para estudiar estos procesos fundamentales, resultados que se pueden extender a todas las galaxias.

Grupos tan apretados como este pueden haber sido más comunes en el universo primitivo cuando el material sobrecalentado en caída pudo haber alimentado los agujeros negros de los cuásares. Incluso hoy, la galaxia superior del grupo, NGC 7319, alberga un núcleo galáctico activo, un agujero negro supermasivo de 24 millones de veces la masa del Sol. Está atrayendo activamente material y emite una energía luminosa equivalente a 40 mil millones de soles.

Webb estudió este núcleo galáctico activo en gran detalle con el espectrógrafo de infrarrojo cercano NIRSpec y con el instrumento de infrarrojo medio MIRI:

Las unidades de campo integral FU de estos instrumentos, que son una combinación de una cámara y un espectrógrafo, proporcionaron al equipo de Webb una colección de imágenes con las características espectrales del núcleo galáctico.

Al igual que la resonancia magnética nuclear médica o el TAC, las IFU permiten a los científicos cortar y trocear la información en muchas imágenes para un estudio detallado. Webb atravesó la capa de polvo que rodeaba el núcleo para revelar gas caliente cerca del agujero negro activo y medir las velocidades de los flujos brillantes. El telescopio vio estos flujos de salida impulsados por el agujero negro con un nivel de detalle nunca antes visto.

En NGC 7320, la galaxia más cercana y más a la izquierda en la agrupación visual, Webb pudo resolver estrellas individuales e incluso el núcleo brillante de la galaxia. Como beneficio adicional, Webb reveló un vasto mar de miles de galaxias de fondo distantes que recuerdan a los campos profundos de Hubble.

Webb proporcionarán una gran cantidad de información nueva y valiosa sobre este tema. Por ejemplo, ayudará a los científicos a comprender la velocidad a la que se alimentan y crecen los agujeros negros supermasivos. Webb también puede ver regiones de formación estelar mucho más directamente y puede examinar la emisión del polvo con un nivel de detalle imposible de obtener hasta ahora.

Exoplaneta WASP-96b

No tenemos aún una imagen de un exoplaneta, pero gracias al Webb sí tenemos el espectro detallado de uno de ellos: WASP-96b. Este planeta es un gigante gaseoso con la mitad de la masa de Júpiter que orbita muy cerca de una estrella a 1150 años luz de nosotros y cuyo periodo orbital es de 3,4 días. Es demasiado caliente y grande como para albergar vida, pero tal espectro permite saber la composición atmosférica de este mundo caliente. Se observan varias líneas espectrales del agua que en la imagen aparecen como cretas. También se obtuvieron indicios de neblina y nubes que estudios anteriores no detectaron:

El 21 de junio, el espectrógrafo del Webb NIRISS midió la luz del sistema WASP-96 durante 6,4 horas mientras el planeta se movía a través de la estrella. El resultado es una curva de luz que muestra la atenuación general de la luz de las estrellas durante el tránsito y un espectro de transmisión que revela el cambio de brillo en las distintas longitudes de onda de luz infrarroja entre las 0,6 y 2,8 micras.

Si bien la curva de luz confirma las propiedades del planeta que ya se habían determinado a partir de otras observaciones, el espectro de transmisión revela detalles previamente ocultos de la atmósfera: la firma inequívoca del agua, indicaciones de neblina e indicios de nubes que se pensaba que no existían basados en observaciones anteriores.

A medida que el planeta se mueve por delante de la estrella se puede crear un espectro de transmisión comparando la luz estelar filtrada a través de la atmósfera del planeta cuando está delante y la luz estelar sin filtrar detectada cuando el planeta está al lado o detrás de la estrella. Los investigadores pueden detectar y medir la abundancia de gases clave en la atmósfera de un planeta en función del patrón de absorción.

El espectro de WASP-96b capturado por NIRISS no solo es el espectro de transmisión de infrarrojo cercano más detallado de la atmósfera de un exoplaneta capturado hasta la fecha, sino que también cubre una gama notablemente amplia de longitudes de onda, incluida la luz roja visible y una parte del espectro que no ha sido accesible previamente desde otros telescopios (longitudes de onda superiores a 1,6 micras). Esta parte del espectro es particularmente sensible al agua, así como a otras moléculas clave como el oxígeno, el metano y el dióxido de carbono. Elementos que no son inmediatamente evidentes en el espectro WASP-96b, pero que deberían ser detectables en otros exoplanetas sobre los que se planea su observación futura por parte de Webb.

Los investigadores podrán usar los espectros obtenidos para medir la cantidad de vapor de agua en la atmósfera, restringir la abundancia de varios elementos como el carbono y el oxígeno y estimar la temperatura de la atmósfera. Luego pueden usar esta información para hacer inferencias sobre la composición general del planeta, así como sobre cómo, cuándo y dónde se formó. La línea azul del gráfico es un modelo de mejor ajuste que tiene en cuenta los datos obtenidos, las propiedades conocidas de WASP-96b y de su estrella y las supuestas características de la atmósfera.

El espectro es extraordinariamente detallado y fue realizado al analizar simultáneamente 280 espectros individuales capturados durante la observación. Proporciona solo una pista de lo que Webb tiene reservado para la investigación de exoplanetas. Durante el próximo año, los investigadores utilizarán espectroscopia para analizar las superficies y atmósferas de varias docenas de exoplanetas, desde pequeños planetas rocosos hasta gigantes ricos en gas y hielo. Casi una cuarta parte del tiempo de observación del Ciclo 1 de Webb se dedicará al estudio de los exoplanetas y los materiales que los forman.

Esta observación de NIRISS demuestra que Webb tiene el poder de caracterizar las atmósferas de los exoplanetas con exquisito detalle, incluidas las de los planetas potencialmente habitables. Puede que en el futuro, en el espectro de otro exoplaneta, posiblemente de tipo rocoso, encontremos huellas que indiquen que allí hay vida. Nunca podremos ir allí, pero la revolución en el pensamiento humano de algo así sería enorme.

La espera ha sido larga y el costo mayor del esperado, pero hemos comprado optimismo y grandeza. Pese a todos los obstáculos, una nueva era de observación astrofísica se acaba de inaugurar. Debemos estar preparados para una nueva forma de ver el cosmos, para ver lugares más allá de dónde hemos estado anteriormente, más atrás en el tiempo de lo nunca hemos experimentado. Se abre ante nosotros una visión repleta de sueños de conocimiento, de preguntas que todavía no hemos llegado a concebir porque la respuestas nos llevan siempre a nuevas incógnitas, como siempre ha sido, como siempre será. Porque nuestra curiosidad es insaciable, porque esta curiosidad es lo que nos hace humanos. Hoy el hombre es un poco más grande y los dioses nos acaban de conceder una tregua antes de nuestra propia autoaniquilación. Todo, incluso el Universo, está en nuestras manos, siempre lo estuvo.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa
Más sobre Webb.
Imágenes: NASA/ESA