Los telescopios espaciales recogen luz con espejos muy por encima de la atmósfera terrestre, que de otro modo desenfoca las imágenes y bloquea las longitudes de onda ultravioleta e infrarroja. Los diferentes observatorios se construyen para diferentes tipos de luz: Hubble para luz visible/UV, Webb para infrarroja, Chandra para rayos X. Y como la luz tarda tiempo en viajar, estos instrumentos permiten a los astrónomos ver galaxias tal como se veían hace miles de millones de años.
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Todo telescopio espacial realiza el mismo trabajo básico: recopilar la mayor cantidad de luz posible de una fuente lejana y débil y enfocarla en un detector. La forma en que se recopila esa luz y qué longitudes de onda se pueden capturar depende del diseño de los espejos y de dónde se sitúe el telescopio en el espacio, según la descripción de la ciencia de telescopios de la NASA.
¿Por qué poner un telescopio en el espacio?
Los telescopios terrestres miran a través de la atmósfera terrestre, donde bolsas de aire en movimiento distorsionan la luz entrante, el mismo efecto que hace que las estrellas parezcan parpadear. Según la página del programa Hubble de la NASA, este movimiento desenfoca las imágenes tomadas desde tierra y la atmósfera también absorbe la mayoría de la radiación ultravioleta e infrarroja antes de que llegue a la superficie.
Al orbitar aproximadamente 300 millas por encima de la Tierra, Hubble evita ese desenfoque atmosférico y puede detectar objetos aproximadamente diez veces más débiles de lo que pueden los telescopios terrestres equivalentes, según la NASA. Los telescopios espaciales también pueden observar continuamente, sin que el clima, la luz diurna o la contaminación lumínica urbana interfieran.
Espejos, no solo lentes
Los primeros telescopios utilizaban lentes de vidrio para doblar la luz, un diseño llamado refractante. La explicación de la NASA Telescopes 101 señala que las lentes grandes se vuelven pesadas y difíciles de lanzar, por lo que la mayoría de los telescopios modernos son telescopios reflectantes que utilizan espejos curvos en su lugar, ya que los espejos pueden hacerse más delgados y ligeros para el mismo tamaño.
En un diseño reflectante típico, la luz golpea un espejo primario grande con forma de paraboloide y rebota hacia un espejo secundario más pequeño. En el Telescopio Espacial James Webb específicamente, la descripción de los espejos de Webb de la NASA agrega dos pasos más: la luz del espejo secundario se refleja en un espejo terciario cóncavo y luego en un espejo de dirección fina plano antes de llegar finalmente a los instrumentos científicos.
Diferentes telescopios, diferentes luz
La luz visible, ultravioleta e infrarroja pueden enfocarse con formas de espejo similares pero con diferentes recubrimientos. Los 18 segmentos hexagonales del espejo primario de Webb, hechos de metal berilio y recubiertos con una capa de oro de 100 nanómetros, están sintonizados específicamente para reflejar eficientemente la luz infrarroja, según la descripción de los espejos de Webb de la NASA. Hubble, por el contrario, está construido para recopilar luz ultravioleta, visible e infrarroja cercana, dice la NASA.
Los rayos X se comportan de manera diferente: simplemente penetrarían o serían absorbidos por un espejo ordinario, mucho como las balas golpeando una pared, explica el Centro de Rayos X Chandra de Harvard. Los espejos de Chandra tienen la forma de cilindros anidados recubiertos de iridio, reflejando rayos X solo en un ángulo 'rasante' superficial en lugar de de frente, dice el centro. Chandra usa cuatro pares de espejos anidados, ocho espejos en total, pulidos y alineados con una precisión de 1,3 micrómetros.
Los rayos gamma son aún más energéticos y pasan directamente a través de la óptica convencional. La NASA señala que los telescopios de rayos gamma como Fermi utilizan detectores que rastrean partículas producidas cuando los rayos gamma golpean material denso como el tungsteno, reconstruyendo el origen del rayo a partir de esas pistas de partículas en lugar de enfocar los rayos con un espejo.
Cómo difieren los principales telescopios espaciales
Telescopio
Luz primaria detectada
Diseño de espejo
Ubicación
Hubble
Ultravioleta, visible, infrarroja cercana
Espejo reflectante único
Órbita terrestre baja, ~300 millas de altura
James Webb
Infrarroja (0,6–28,8 micras)
18 segmentos hexagonales de berilio recubiertos de oro, 6,5 m de diámetro
Órbita de halo alrededor de L2 Sol-Tierra, ~1,5 millones de km de la Tierra
Chandra
Rayos X
4 pares de espejos anidados cilíndricos de incidencia rasante recubiertos de iridio
Órbita terrestre elíptica alta
Fermi
Rayos gamma
Sin espejo; detectores de seguimiento de partículas con placas de tungsteno
Órbita terrestre baja
Por qué importa la ubicación: la órbita distante de Webb
Webb no orbita la Tierra de cerca como lo hace Hubble. Según la página de la misión de la NASA, Webb da vueltas alrededor del segundo punto de Lagrange Sol-Tierra, L2, aproximadamente 1,5 millones de kilómetros de la Tierra, completando un circuito aproximadamente cada seis meses. En esa ubicación, el Sol, la Tierra y la Luna permanecen en un lado de la nave espacial, permitiendo que el parasol de Webb del tamaño de una cancha de tenis bloquee continuamente su calor y luz.
Este blindaje es esencial porque Webb observa luz infrarroja, que es esencialmente calor. La NASA afirma que el telescopio funciona a temperaturas extremadamente frías, aproximadamente menos 370 grados Fahrenheit, según la página de órbita de Webb, por lo que cualquier calor extraviado del Sol o la Tierra no inunda los detectores con ruido infrarrojo y abruma las señales débiles de galaxias distantes.
Ver el pasado, no solo lo distante
Debido a que la luz viaja a una velocidad fija y finita, mirar más lejos en el espacio significa mirar más hacia atrás en el tiempo. La descripción científica de Webb de la NASA señala que el telescopio puede detectar luz infrarroja de galaxias a más de 13.500 millones de años luz de distancia, lo que significa que la luz que se captura hoy dejó esas galaxias hace más de 13.500 millones de años, cuando el universo era joven. Observar la luz, en efecto, muestra el objeto tal como existía en el momento en que la luz se fue, no como se ve ahora.
Webb lleva cuatro instrumentos científicos para analizar esa luz antigua: NIRCam y NIRSpec para imágenes y espectroscopia infrarroja cercana, MIRI para observaciones infrarrojas medias, y un Sensor de Guía Fina emparejado con el instrumento NIRISS, según la descripción del telescopio de la NASA.
Los fotones de rayos X penetran en un espejo mucho de la misma manera que las balas golpean una pared.
— Centro de Rayos X Chandra, Harvard
Del espejo a la imagen en la Tierra
Los telescopios espaciales modernos no utilizan película fotográfica. La explicación de la NASA sobre cómo funcionan los telescopios afirma que la luz enfocada por los espejos cae en detectores electrónicos, que la convierten en señales digitales. Esas señales se almacenan en computadoras a bordo y se transmiten a las estaciones terrestres en la Tierra, donde los científicos reconstruyen los datos en las imágenes publicadas públicamente.
Preguntas
¿Por qué los telescopios terrestres no pueden hacer todo lo que hacen los telescopios espaciales?
La atmósfera terrestre distorsiona la luz entrante, causando el parpadeo que desenfoca las imágenes terrestres, y también absorbe la mayoría de la luz ultravioleta e infrarroja antes de que llegue a la superficie, según la NASA. Los telescopios espaciales orbitan por encima de esta interferencia, dando imágenes más nítidas y acceso a longitudes de onda que los telescopios terrestres no pueden ver.
¿Por qué Webb usa luz infrarroja en lugar de luz visible como Hubble?
La luz infrarroja pasa a través de nubes de polvo que bloquean la luz visible y también lleva la luz 'desplazada al rojo' estirada de las galaxias más distantes y antiguas, que la NASA dice que Webb puede detectar desde objetos a más de 13.500 millones de años luz de distancia. Hubble, por comparación, está construido principalmente para luz ultravioleta, visible e infrarroja cercana.
¿Por qué el espejo de Webb está hecho de berilio y recubierto de oro?
La NASA afirma que el berilio es fuerte para su peso y mantiene su forma a las temperaturas extremadamente frías en las que funciona Webb, mientras que un recubrimiento fino de oro de 100 nanómetros mejora la reflexión del espejo de luz infrarroja específicamente.
¿Por qué Webb orbita tan lejos de la Tierra en lugar de cerca como Hubble?
Webb orbita el punto L2 Sol-Tierra, aproximadamente 1,5 millones de kilómetros de distancia, de modo que su parasol pueda bloquear continuamente el calor y la luz del Sol, la Tierra y la Luna en un lado, manteniendo sus instrumentos infrarrojos extremadamente fríos, según la página de órbita de la misión de la NASA.
¿Cómo enfocan los rayos X los telescopios de rayos X como Chandra si los espejos no pueden reflejarlos normalmente?
Los espejos de Chandra tienen la forma de cilindros anidados recubiertos de iridio, y los rayos X se reflejan solo en un ángulo 'rasante' superficial en lugar de ser enfocados de frente, según el Centro de Rayos X Chandra de Harvard.
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