James Webb: El telescopio espacial más poderoso jamás construido mirará hacia atrás en el tiempo a la Edad Media del Universo

Algunos han llamado al telescopio espacial James Webb de la Nasa el “telescopio que se comió la astronomía”. Es el telescopio espacial más poderoso jamás construido y una compleja pieza de origami mecánico que ha superado los límites de la ingeniería humana. El 18 de diciembre de 2021, después de años de retrasos y miles de millones de dólares en sobrecostos, está programado que el telescopio se ponga en órbita y marque el comienzo de la próxima era de la astronomía.

Soy un astrónomo con especialidad en cosmología observacional; he estado estudiando galaxias distantes durante 30 años. Algunas de las preguntas más importantes sin respuesta sobre el Universo se relacionan con sus primeros años justo después del Big Bang. ¿Cuándo se formaron las primeras estrellas y galaxias? ¿Qué fue primero y por qué? Estoy increíblemente emocionado de que los astrónomos puedan descubrir pronto la historia de cómo comenzaron las galaxias porque James Webb fue construido específicamente para responder estas mismas preguntas.

Excelente evidencia muestra que el Universo comenzó con un evento llamado Big Bang hace 13,8 mil millones de años, que lo dejó en un estado ultracaliente y ultradenso. El universo comenzó a expandirse inmediatamente después del Big Bang, enfriándose al hacerlo. Un segundo después del Big Bang, el Universo tenía cien billones de millas de diámetro con una temperatura promedio de unos increíbles 18 mil millones de F (10 mil millones de C). Aproximadamente 400.000 años después del Big Bang, el Universo tenía 10 millones de años luz de diámetro y la temperatura se había enfriado a 3.000°C. Si alguien hubiera estado allí para verlo en este punto, el Universo habría estado brillando de un rojo apagado como una lámpara de calor gigante.

A lo largo de este tiempo, el espacio se llenó de una suave sopa de partículas de alta energía, radiación, hidrógeno y helio. No había estructura. A medida que el Universo en expansión se hizo más grande y más frío, la sopa se diluyó y todo se volvió negro. Este fue el comienzo de lo que los astrónomos llaman la Edad Media del Universo.

La sopa de la Edad Media no era perfectamente uniforme y debido a la gravedad, pequeñas áreas de gas comenzaron a agruparse y volverse más densas. El Universo liso se volvió abultado y estos pequeños grupos de gas más denso fueron semillas para la eventual formación de estrellas, galaxias y todo lo demás.

Aunque no había nada que ver, la Edad Media fue una fase importante en la evolución del Universo.

La Edad Media terminó cuando la gravedad formó las primeras estrellas y galaxias que finalmente comenzaron a emitir la primera luz. Aunque los astrónomos no saben cuándo ocurrió la primera luz, la mejor suposición es que fue varios cientos de millones de años después del Big Bang. Los astrónomos tampoco saben si las estrellas o las galaxias se formaron primero.

Las teorías actuales basadas en cómo la gravedad forma la estructura en un Universo dominado por materia oscura sugieren que los objetos pequeños, como estrellas y cúmulos de estrellas, probablemente se formaron primero y luego se convirtieron en galaxias enanas y luego en galaxias más grandes como la Vía Láctea. Estas primeras estrellas eran objetos extremos en comparación con las estrellas de hoy. Eran un millón de veces más brillantes, pero vivieron vidas muy cortas. Ardían calientes y brillantes y cuando murieron, dejaron agujeros negros de hasta cien veces la masa del Sol, que podrían haber actuado como semillas para la formación de galaxias.

A los astrónomos les encantaría estudiar esta fascinante e importante era del Universo, pero detectar la primera luz es increíblemente desafiante. En comparación con las galaxias masivas y brillantes de la actualidad, los primeros objetos eran muy pequeños y, debido a la constante expansión del universo, ahora se encuentran a decenas de miles de millones de años luz de la Tierra. Además, las primeras estrellas estaban rodeadas por el gas que quedó de su formación y este gas actuó como una niebla que absorbió la mayor parte de la luz. Se necesitaron varios cientos de millones de años para que la radiación eliminara la niebla. Esta luz temprana es muy débil cuando llega a la Tierra.

Pero este no es el único desafío.

A medida que el Universo se expande, extiende continuamente la longitud de onda de la luz que viaja a través de él. Esto se llama corrimiento al rojo porque cambia la luz de longitudes de onda más cortas, como la luz azul o blanca, a longitudes de onda más largas, como la luz roja o infrarroja. Aunque no es una analogía perfecta, es similar a cómo cuando un automóvil pasa a su lado, el tono de cualquier sonido disminuye notablemente.

Cuando la luz emitida por una estrella o galaxia temprana hace 13 mil millones de años llega a cualquier telescopio en la Tierra, se ha estirado en un factor de 10 por la expansión del Universo. Llega como luz infrarroja, lo que significa que tiene una longitud de onda más larga que la de la luz roja. Para ver la primera luz, debe buscar luz infrarroja.

Los telescopios son como máquinas del tiempo. Si un objeto está a 10.000 años luz de distancia, eso significa que la luz tarda 10.000 años en llegar a la Tierra. Entonces, cuanto más lejos miran los astrónomos en el espacio, más atrás en el tiempo estamos mirando.

Los ingenieros optimizaron James Webb para detectar específicamente la tenue luz infrarroja de las primeras estrellas o galaxias. En comparación con el telescopio espacial Hubble, James Webb tiene un campo de visión 15 veces más amplio en su cámara , recolecta seis veces más luz y sus sensores están sintonizados para ser más sensibles a la luz infrarroja.

La estrategia será mirar fijamente una parte del cielo durante mucho tiempo, recolectando tanta luz e información de las galaxias más antiguas y distantes como sea posible. Con estos datos, es posible responder cuándo y cómo terminó la Edad Media, pero hay muchos otros descubrimientos importantes por hacer. Por ejemplo, desentrañar esta historia también puede ayudar a explicar la naturaleza de la materia oscura, la forma misteriosa de la materia que constituye aproximadamente el 80% de la masa del Universo.

James Webb es la misión técnicamente más difícil que jamás haya intentado la Nasa. Pero creo que las preguntas científicas que puede ayudar a responder valdrán cada gramo de esfuerzo. Otros astrónomos y yo estamos esperando con entusiasmo que los datos comiencen a regresar en algún momento de 2022.

*Chris Impey, profesor de astronomía, Universidad de Arizona