Desde que en su época como ‘postdoc’ estudiara el vulcanismo de Ío, uno de los satélites de Júpiter, no ha cesado en su empeño de conocer los objetos más fríos y distantes del Sistema Solar mediante las misiones espaciales Spitzer, Herschel y el futuro James Webb Space Telescope. Y es que los confines de nuestro sistema planetario y los instrumentos a bordo de satélites espaciales son la especialidad de John Stansberry, investigador del Space Telescope Science Institute (STScI), de Estados Unidos, y profesor invitado de la XXVIII Canary Islands Winter School of Astrophysics, organizada por el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC).

Por Elena Mora (IAC)

“Las imágenes que producen los telescopios espaciales no se ven afectadas por el emborronamiento causado por la turbulencia atmosférica.”

“La exploración con telescopios está mucho más limitada a la hora de conseguir detalles de objetos individuales, pero permite explorar muchos más en comparación con las misiones.”

 “El JWST está ya en una fase muy avanzada para llegar a tiempo a su lanzamiento a finales de 2018.”

Pregunta: Plutón, Tritón y el Cinturón de Kuiper. ¿Cómo se exploran las partes más externas del Sistema Solar?

Respuesta: Nuestro conocimiento del Sistema Solar más allá de Júpiter se basa en exploraciones robóticas usando sondas –misiones como Voyager 1 & 2, Cassini-Huygens y New Horizons- y observaciones telescópicas profundas. La misión Voyager 1 y Cassini exploraron Saturno, mientras que la Voyager 2 fue al encuentro de Urano y Neptuno. Estas misiones recopilaron información que supuso el primer vistazo a las lunas de estos planetas y los anillos de Saturno. Por ejemplo, Cassini exploró Saturno y sus alrededores con un detalle increíble que incluso reveló formaciones fluviales en la superficie de Titán y erupciones hidrotermales en Encélado.

La exploración con telescopios está mucho más limitada a la hora de conseguir detalles de objetos individuales, pero permite explorar muchos más en comparación con las misiones. Usando telescopios se descubrió el Cinturón de Kuiper y se mapeó su estructura, revelando que los objetos binarios del mismo son bastante comunes. También con telescopios se pudo calcular el tamaño y el albedo de más de un centenar de estos objetos midiendo el calor que emiten, así como la composición superficial de decenas y los colores visibles e infrarrojos de más de un centenar.

P:¿Cuáles son las ventajas de los telescopios espaciales respecto de los terrestres para la exploración espacial?

R: Los telescopios espaciales ofrecen, al menos, cuatro ventajas sobre los telescopios terrestres. En primer lugar, las imágenes que producen no se ven afectadas por el emborronamiento causado por la turbulencia atmosférica. En las longitudes de onda del visible y del infrarrojo cercano, el emborronamiento normalmente reduce la resolución espacial que se puede lograr –capacidad para diferenciar dos objetos que están muy próximos en una imagen-. Incluso es más limitante que el diámetro del espejo primario del telescopio aunque, cada vez más, los de mayor tamaño utilizan la denominada ‘óptica adaptativa’, que consigue imágenes cerca del límite de difracción.

En segundo lugar está la capacidad de observar en longitudes de onda donde la atmósfera está absorbiendo fuertemente o es opaca. Por ejemplo, muchas moléculas tienen bandas de absorción fundamentales en la región de 2,5 - 5 micras y los instrumentos en tierra tienen acceso limitado a esas longitudes de onda debido a la absorción atmosférica.

La tercera ventaja es que los observatorios espaciales están en un entorno muy estable, por lo que su rendimiento es constante independientemente del lugar. Eso simplifica enormemente la calibración absoluta en comparación con los datos que se recopilan desde la Tierra, ya que no es necesaria ninguna corrección para las observaciones tomadas en diferentes ángulos de elevación o "masa de aire". Además, la gravedad no distorsiona la óptica del telescopio, por lo que la calidad de la imagen es muy estable en todo el cielo. Esto ayuda a la hora de detectar fuentes débiles cerca de otras mucho más brillantes y en la toma de mediciones muy precisas.

En cuarto lugar, los telescopios espaciales pueden funcionar a temperaturas muy bajas, y además no tienen que observar a través de una atmósfera caliente, mejorando su sensibilidad para medir la emisión térmica del Sistema Solar u otros objetivos. Esto es debido a que el calor del propio telescopio y el ruido asociado suele ser menor que en los telescopios terrestres.

P:El lanzamiento del James Webb Space Telescope (JWST) está planeado para finales del año 2018. ¿En qué fase del proyecto se encuentra ahora?

R: JWST está ya en una fase muy avanzada para llegar a tiempo a su lanzamiento. Ya se han terminado los cuatro instrumentos científicos y se han sometido a dos series de pruebas criogénicas. Los espejos del telescopio (18 segmentos que forman una superficie de 6,5 m) se han integrado en la estructura de soporte, al igual que el módulo del instrumento. Ambos se someterán a otra ronda de pruebas criogénicas a finales de año 2017, en una cámara de vacío construida para las misiones lunares Apolo. Después, se le integrará la sombrilla y el JWST se acoplará en la nave espacial Ariane 5, se le harán pruebas de calor y, por último, se enviará a Kourou, en la Guayana francesa, para su lanzamiento.

Las herramientas para planificar los tiempos de observación también están muy desarrolladas. Primero las utilizarán los “observadores con tiempo garantizado” (GTO o Guaranteed Time Observations), es decir, los investigadores principales y sus equipos científicos. El software para el procesamiento de los datos está en desarrollo y el sistema de planificación y programación también está casi completo.

Todos estos sistemas de software y gestión de propuestas científicas se están desarrollando en el Space Telescope Science Institute (STScI), que también opera el Telescopio Espacial Hubble.

P:Aparte de su tamaño (6,5 m), ¿qué otras ventajas tiene el JWST en comparación con el Telescopio Hubble? ¿Qué tipo de ciencia podrá hacer?

R: El JWST recolectará la luz aproximadamente seis veces más rápido que el Hubble debido a que su espejo es más grande. Está optimizado para funcionar en longitudes de onda de entre 2 y 28 micras, y también ofrece un buen rendimiento entre 0,6 y 2 micras. A las 2 micras, la resolución angular es comparable a la del Hubble, y a longitudes menores debería ser mejor.

El JWST puede hacer imagen, a través de varios filtros en diferentes longitudes de onda, y espectroscopía. Todos los modos del instrumento son compatibles con objetos en  movimiento.

P:Recientemente, las imágenes capturadas por la nave especial New Horizons han permitido descubrir en la región Cthulhu de Plutón montañas cubiertas de un material congelado que podría ser metano condensado proveniente de su atmósfera. ¿Qué supone este descubrimiento? ¿Podría este material congelado comportarse como lo hace el agua en la atmósfera de nuestro planeta?

R: Plutón es tan frío que el metano sólo puede estar en estado sólido o gaseoso, por lo que no puede llover, aunque sí nevar. En las cimas de las montañas es posible que se congele directamente según el gas de la atmósfera que fluye lo enfría. Por otro lado, el nitrógeno es el gas más abundantemente, como sucede en la Tierra. Sin embargo, el de Plutón también está en estado sólido en la superficie, algo que no sucede en nuestro planeta, donde la presión atmosférica depende de la temperatura en superficie. Las estaciones en Plutón, a diferencia de la Tierra, hacen que el metano y el nitrógeno se condensen y sublimen y, además, que toda su atmósfera se congele cuando el planeta viaje hacía las regiones exteriores de su órbita elíptica.

P:A pesar de todos los avances científicos que se han conseguido sobre la evolución y formación del Sistema Solar, ¿qué pregunta sigue aún sin respuesta?

R: Hoy en día no entendemos la relación entre los distintos objetos del Cinturón de Kuiper (KBOs por sus siglas en inglés) y sus composiciones. Con el JWST, podremos saber de qué están formados los objetos más pequeños y, quizá, finalmente averigüemos el origen de las distintas clases de KBO, cuál era la composición del disco protoplanetario en esas zonas y puede que ampliemos significativamente nuestro conocimiento de las propiedades físicas y químicas del mismo.