El telescopio espacial James Webb es una de las 10 Tecnologías Emergentes de 2023 de MIT Technology Review. Explora el resto de la lista aquí.

Natalie Batalha estaba ansiosa por obtener información del telescopio espacial James Webb (JWST, por sus siglas en inglés). Unos meses después de que éste alcanzara su órbita, el grupo del que forma parte en la Universidad de California en Santa Cruz tenía una cita para observar un puñado de exoplanetas, es decir, planetas que orbitan alrededor de estrellas distintas a nuestro Sol.

Entre los objetivos estaba WASP-39b, un mundo abrasador que orbita una estrella a unos 700 años luz de la Tierra. El planeta fue descubierto hace años. A mediados de julio de 2022, Batalha y su equipo recibieron las primeras observaciones del JWST sobre aquel mundo distante y vieron una firma clara de un gas común en la Tierra, pero nunca antes detectado en la atmósfera de un exoplaneta, el dióxido de carbono (CO2). En la Tierra, el dióxido de carbono es un indicador clave de vida vegetal y animal. WASP-39b, que tarda solo cuatro días terrestres en orbitar su estrella, tiene demasiada temperatura para ser considerado habitable. Aunque este descubrimiento bien podría presagiar detecciones más fascinantes, de mundos más templados, en el futuro. Y llegó solo unos días después de la puesta en marcha de JWST. "Fue un momento muy emocionante. En cuanto lo observamos, la firma del dióxido de carbono estaba muy clara", recuerda Batalha, cuyo grupo se había reunido para ver los datos por primera vez.

No fue un accidente. JWST, un proyecto de colaboración entre EE UU, Canadá y Europa liderado por la NASA, es el telescopio espacial más poderoso de la historia y puede ver objetos 100 veces más tenues que los que puede detectar el telescopio espacial Hubble.  Después de que comenzara a funcionar en julio de 2022, casi de inmediato aparecieron increíbles vistas de todo el universo, desde imágenes de galaxias remotas en el amanecer de los tiempos hasta increíbles paisajes de nebulosas, esos polvorientos lugares donde nacen las estrellas. "Es tan poderoso como esperábamos, o incluso más", destaca Gabriel Brammer, astrónomo de la Universidad de Copenhague en Dinamarca.

Sin embargo, la velocidad a la que JWST ha realizado descubrimientos se debe a algo más que a sus propias capacidades. Durante años, los astrónomos se prepararon para estas observaciones, desarrollando algoritmos que convirtieran rápidamente sus datos en información utilizable. Gran parte de esos datos son de libre acceso, lo que permite a la comunidad astronómica analizarlos en cuanto llegan. Sus operadores también se han basado en las lecciones aprendidas de Hubble, el predecesor del telescopio, llenando al máximo su programa de observación.

Para algunos, el gran volumen de datos extraordinarios ha sido una sorpresa. "Era más de lo que esperábamos", asegura Heidi Hammel, científica interdisciplinaria de la NASA para JWST y vicepresidenta científica de la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía en Washington. "Desde que entramos en el modo operativo, fue continuo. Cada hora veíamos una galaxia, un exoplaneta o una formación estelar. Fue un flujo, como el agua de una manguera contra incendios".

Ahora, meses después del inicio de la actividad, JWST sigue enviando montones de datos a los astrónomos de la Tierra, y se espera que transforme nuestra comprensión del universo distante, los exoplanetas, la formación de planetas, la estructura galáctica, y mucho más. No todos han disfrutado de tanta actividad que, a veces, ha reflejado un énfasis en la velocidad sobre el proceso científico. Pero no hay duda de que JWST está cautivando a las audiencias de todo el mundo a un ritmo vertiginoso. Las compuertas se han abierto, y no van a cerrarse pronto.

Abriendo el acceso

JWST orbita el Sol alrededor de un punto fijo a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra. Su gigantesco espejo primario recubierto de oro, y tan alto como una jirafa, está protegido del resplandor del Sol por un parasol del tamaño de un campo de tenis. Esto permite vistas sin precedentes del universo en luz infrarroja.

El telescopio tardó mucho en llegar, aunque fue concebido en la década de 1980, su lanzamiento  se planificó alrededor de 2007 con un coste de 1.000 millones de dólares (919 millones de euros). Pero su complejidad provocó grandes retrasos, devoró dinero y llegó a  llamarse "el telescopio que se comió la astronomía". Cuando JWST se lanzó por fin en diciembre de 2021, su coste se había disparado casi a  10.000 millones de dólares (9.193 millones de euros).

Incluso después del lanzamiento, hubo momentos de inquietud. El viaje del telescopio a su destino, más allá de la órbita de la Luna, duró un mes. Y se requirieron cientos de partes móviles para desplegar sus componentes, incluido su enorme parasol, necesario para mantener fríos los instrumentos sensibles al infrarrojo.

El objetivo es mantener el telescopio lo más ocupado posible: "Lo peor que podemos hacer es tener un telescopio inactivo"

Por ahora, los retrasos, los sobrecostes presupuestarios y la mayoría de las tensiones han podido superarse. JWST trabaja duro y sus actividades son coordinadas por el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore (EE UU). Cada semana, un equipo planifica las próximas observaciones del telescopio, basándose en un plan a largo plazo de cientos de programas que se ejecutarán en su primer año de trabajo científico, de julio de 2022 a junio de 2023.

El objetivo es mantener el telescopio ocupado. "Lo peor que podríamos hacer es tener el telescopio inactivo. No es nada barato", opina Dave Adler, jefe de planificación a largo plazo de JWST, en STScI.  En los 90, Hubble estaba inoperativo en el espacio si los programas se cambiaban o cancelaban. Ahora, la actividad de JWST está sobrecargada de manera deliberada para evitar problemas. Los propulsores y las ruedas de reacción a bordo, que giran para cambiar la orientación, mueven el telescopio entre varios objetivos en el cielo. "El propósito siempre es reducir el tiempo en el que no creamos ciencia", insiste Adler.

El resultado de este ajetreado programa es que JWST pueda recopilar más de 50 gigabytes de datos cada día, en comparación con Hubble, que recaba entre uno y dos gigabytes. Los datos, que contienen imágenes y firmas espectroscópicas (luz dividida en sus elementos), pasan por un algoritmo ejecutado por STScI. Conocido como pipeline (tubería o conducto, en inglés), el algoritmo convierte las imágenes y los números del telescopio en información útil. Parte de esto se publica de inmediato en los servidores públicos, y lo reciben los científicos o incluso bots de Twitter, como JWST Photo Bot. Otros datos se entregan a los científicos en los programas que tienen ventanas propietarias que permiten dedicar tiempo a analizar sus propios datos antes de que se divulguen al gran público. 

Foto: Las galaxias del Quinteto de Stephan, en una imagen creada con los datos de dos instrumentos infrarrojos de JWST. La galaxia a la izquierda parece ser parte del grupo, pero se encuentra más cerca de la Tierra. Créditos: NASA, ESA, CSA, STSCI

Estos conductos (pipelines) son partes de código, hechas con distintos lenguajes de programación, como Python. Durante mucho tiempo, fueron utilizados en astronomía, pero en 2004 avanzaron cuando los astrónomos usaron Hubble para pasar un millón de segundos observando una zona vacía de la bóveda celeste. El objetivo era buscar galaxias remotas en el universo, pero se usaron 800 capturas. Por consiguiente, los planificadores del Hubble sabían que era una tarea demasiado abrumadora para realizarse de forma manual.

En su lugar, desarrollaron un algoritmo para convertir las capturas en una imagen utilizable. Se trataba de un gran desafío técnico, dado que cada imagen requería de su propia calibración y alineación. "No había manera de que la comunidad combinara 800 capturas por su cuenta en aquel tiempo. El objetivo era permitir que la ciencia se hiciera más rápido", indica Anton Koekemoer, astrónomo investigador de STScI. La imagen resultante de esos esfuerzos reveló 10.000 galaxias extendidas por todo el universo, se conoció como el Campo Ultra Profundo del Hubble (en inglés: Hubble Ultra Deep Field [HUDF, por sus siglas]).

Con JWST, un único algoritmo maestro desarrollado por STScI toma imágenes y datos de todos sus instrumentos y los prepara para su análisis científico. Muchos astrónomos, tanto aficionados como profesionales, utilizan sus propios algoritmos, desarrollados antes del lanzamiento, para investigar más a fondo los datos. Por ello, cuando los datos de JWST comenzaron a llegar a la Tierra, los astrónomos comprendieron casi de inmediato lo que estaban viendo, convirtiendo lo que serían meses de análisis en solo horas de procesamiento.

De repente, el acceso estaba abierto. Estábamos preparados", recuerda Brammer.

Galaxias por todas partes

El Telescopio Espacial Hubble, que orbita a cientos de kilómetros sobre la superficie de la Tierra, está lo suficientemente cerca para ser visitado por astronautas. A lo largo de los años, lo han hecho, emprendiendo misiones para reparar y actualizar el telescopio. Todo empezó con un viaje para reparar un espejo deformado, el problema fue descubierto poco después del lanzamiento en 1990. JWST, que se encuentra más lejos que la Luna, depende de sí mismo.

Lee Feinberg, encargado de elementos del telescopio óptico de JWST en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, estaba entre aquellos que esperaban que el telescopio funcionara. "Pasamos 20 años simulando la alineación del telescopio", es decir, asegurándose de que apuntara con precisión a objetivos en todo el firmamento.

En marzo de 2022, la espera llegó a su fin, JWST había alcanzado su objetivo más allá de la Luna. Feinberg, junto a sus colegas, estaban por fin listos para tomar imágenes de prueba. Una mañana, al entrar en STScI, una de esas imágenes de prueba sobre una estrella apareció en la pantalla. Esta contenía una sorpresa increíble. "Había cientos de galaxias. Estábamos impresionados", cuenta Feinberg. La imagen era tan detallada que revelaba galaxias hasta el lejano universo, aunque ese no fuera su propósito. "Todos estaban incrédulos, funcionaba tan bien", añade Feinberg.

Después de otro proceso adicional de prueba y calibrar instrumentos para poner en marcha el telescopio, una de las primeras tareas de JWST fue observar WASP-39b con su instrumento de infrarrojo, enfriado criogénicamente (MIRI por Mid-Infrared Instrument). Esta herramienta está a bordo del telescopio que observa la parte infrarroja del espectro, donde pueden detectarse fácilmente muchas de las firmas de las atmósferas planetarias. El espectrógrafo de MIRI permitió a los científicos separar la luz de la atmósfera de WASP-39b. Sin embargo, en vez de analizar las observaciones de manera manual, el equipo utilizó el algoritmo ‘Eureka!’, desarrollado por Taylor Bell, astrónomo del Instituto de Investigación Ambiental del Área de la Bahía en el Centro de Investigación Ames de la NASA en California (EE UU). "El objetivo era pasar los datos reducidos sin procesar a información sobre el espectro atmosférico", explica Bell. Analizar la información de un exoplaneta como este requeriría meses de trabajo. Pero, a las pocas horas de las observaciones, saltó la firma del dióxido de carbono. Desde entonces, se han publicado otros detalles sobre el planeta, incluido un análisis preciso sobre su composición y la presencia de nubes irregulares.

Otros han utilizado sus algoritmos para objetivos diferentes. En julio de 2022, al analizar las primeras imágenes de JWST, un equipo -dirigido por Rohan Naidu, del MIT- descubrió GLASS-z13. La luz de esta remota galaxia podría datar de 300 millones de años después del Big Bang, previa a cualquier galaxia conocida anteriormente. Dicho descubrimiento causó un furor mundial, ya que sugirió que las galaxias pueden haberse formado antes de lo esperado, quizás cientos de millones de años antes, lo que significa que la creación de nuestro universo es más antigua de lo que se pensaba.

El descubrimiento de Naidu fue posible gracias a EAZY, el algoritmo que Brammer desarrolló para analizar la luz de las galaxias en las imágenes de JWST. "Estima la distancia de los objetos al utilizar estas observaciones de imágenes", explica Brammer, quien publicó su herramienta en GitHub, una web de software, para que la utilice todo el mundo.

En hora punta

En el campo científico, los investigadores tradicionalmente envían un artículo a una revista, que es revisado por colegas de estudioy luego es aprobado para su publicación, o rechazado. El proceso puede llevar meses, e incluso años. A veces, esto retrasa la publicación, pero siempre se tiene en cuenta la precisión y el rigor científico.

Sin embargo, hay formas de evitar este proceso. Un método popular es publicar las primeras versiones de los artículos científicos en la web arXiv antes de la revisión por sus colegas de profesión. Esto significa que la investigación se puede leer o publicitar antes de publicarse en una revista. En algunos casos, la investigación nunca se envía a una revista, sino que permanece en arXiv y los científicos la comentan en Twitter u otros foros.

Cuando hay un descubrimiento que los científicos desean publicar rápidamente, publicar en arXiv es la solución, para evitar además que salgan los artículos de la competencia. En el caso de JWST, alrededor de una quinta parte de sus programas de primer año son de libre acceso. Esto significa que los datos se publican de inmediato cuando se transfieren a la Tierra. Así el equipo de investigación que propuso el programa está en competencia directa con aquellos que observan el flujo de datos. Cuando se puso en marcha el flujo de datos del telescopio en julio del año pasado, muchos investigadores recurrieron a arXiv para publicar los primeros resultados, para bien o para mal.

"Cuando se trata de algo tan nuevo y desconocido, las cosas deben revisarse 10 o 100 veces, pero no fue así"

Emiliano Merlín

"Hubo prisa por publicar cualquier cosa lo antes posible", señala Emiliano Merlin, astrónomo del Observatorio Astronómico de Roma (Italia), que participó en los primeros análisis de JWST, como carrera para encontrar galaxias en el universo distante después del Big Bang. El descubrimiento de GLASS-z13 y una docena de otros candidatos se publicó antes de que las observaciones de seguimiento pudieran confirmar la edad de su luz. "No era algo que me gustara. "Cuando se trata de algo tan nuevo y desconocido, las cosas deben revisarse 10 o 100 veces, pero no fue así", confiesa Merlin.

Una preocupación fue que los primeros problemas de calibración con el telescopio podrían haber sido erróneos. Hasta ahora, muchos de estos primeros resultados han resistido la revisión. Las observaciones de seguimiento han confirmado que GLASS-z13 es una galaxia temprana que batió récords, aunque su edad se ha reducido, lo que llevó a cambiar el nombre de la galaxia a GLASS-z12. Eldescubrimiento de otras galaxias, formadas antes que GLASS-z12, sugiere que nuestra idea de cómo surgió la estructura del universo deba replantearse, quizá incluso con modelos más radicales para el primer universo.

Foto izquierda: La cámara de infrarrojo cercano a bordo del JWST capturó esta instantánea de Neptuno en julio de 2022. Los investigadores afirmaron que era la captura más clara de los anillos del planeta gigante desde el sobrevuelo de Voyager 2 en 1989. Créditos: NASA, ESA, CSA, STSCI

Foto derecha: Esta imagen de una estrella se tomó durante las pruebas de alineación óptica de JWST. Por otra parte, mostró la sensibilidad del telescopio con varias galaxias apareciendo en el fondo. Créditos: NASA/STSCI

Foto: Los segmentos del espejo primario de JWST se preparan para las pruebas criogénicas en 2011. El espejo completo, hecho de berilio recubierto de oro, consta de 18 segmentos y abarca 6,5 metros. Fue diseñado para ser plegado para el lanzamiento. Créditos: NASA/MSFC/David Higginbotham

Aunque muchos programas de JWST publican los datos de inmediato, a veces  en la frenética carrera por publicar antes los resultados , casi el 80% de ellos tienen un período de exclusividad, que permite solo a los investigadores analizar  los datos durante 12 meses. Esto permite a los científicos, en especial a los grupos más pequeños que carecen de los recursos de las grandes instituciones, examinar cuidadosamente sus datos antes de divulgarlos al gran público.

"El periodo de exclusividad nivela las diferencias en los recursos. Si se eliminan estos períodos, todo vuelve a favorecer a los grandes equipos", resalta Mark McCaughrean, asesor principal de ciencia y exploración de la Agencia Espacial Europea y científico del JWST. 

Sin embargo, muchos científicos no utilizan al completo sus 12 meses, lo que significa que se sumarán al flujo constante de descubrimientos de JWST. Junto con las observaciones de libre acceso, cada vez habrá más resultados que se darán a conocer al público. "Ahora que la compuerta está abierta, veremos documentos continuamente durante los próximos 10 años, y más", asegura Hammel. Quizás incluso más: Feinberg afirma que el telescopio puede tener más de 20 años de combustible, lo que permite que las operaciones continúen hasta la década de 2040.

"Estamos abriendo una nueva ventana al universo. Es un momento emocionante para nosotros como especie", concluye Hammel.