Ejemplos de telescopios (que funcionan a partir de febrero de 2013) que operan a longitudes de onda en todo el espectro electromagnético. Los observatorios están ubicados arriba o debajo de la parte del espectro que generalmente observan.Cuando se lanzó el telescopio espacial Hubble en 1990, íbamos a usarlo para llevar a cabo un vagón completo de mediciones. Íbamos a ver estrellas individuales en galaxias distantes que no habíamos visto antes; medir el Universo profundo como antes; mire las regiones de formación estelar y vea las nebulosas en una resolución sin precedentes; para atrapar las erupciones en las lunas de Júpiter y Saturno con tal detalle que no funcionó antes. Pero los mayores descubrimientos (energía oscura, agujeros negros supermasivos, exoplanetas, discos protoplanetarios) fueron imprevistos. ¿Continuará esta tendencia con los telescopios James Webb y WFIRST? Nuestro lector pregunta:
Sin fantasías sobre algún tipo de física radicalmente nueva, ¿qué resultados de Webb y WFIRST te sorprenderán más?
Para hacer tal predicción, necesitamos saber de qué medidas son capaces estos telescopios.
El telescopio James Webb completo y en órbita presentado por el artista. Preste atención a la protección de cinco capas del telescopio contra el sol.James Webb es un telescopio espacial de nueva generación, que se lanzará en octubre de 2018 [desde la redacción del artículo original, la fecha de lanzamiento se trasladó a
marzo-junio de 2019 - aprox. transl.]. Después de la plena puesta en marcha y enfriamiento, se convertirá en el observatorio más poderoso de la historia de la humanidad. Su diámetro será de 6.5 m, la relación de apertura superará el Hubble una por siete veces, y la resolución es casi tres veces. Cubrirá las longitudes de ol de 550 a 30 000 nm, desde la luz visible hasta la infrarroja. Podrá medir los colores y los espectros de todos los objetos observados, llevando al límite los beneficios de casi todos los fotones que ingresan en él. Su ubicación en el espacio nos permitirá ver todo dentro de los límites del espectro que percibe, y no solo aquellas ondas para las cuales la atmósfera es parcialmente transparente.
El concepto del satélite WFIRST, que se lanzará en 2024. Tendrá que proporcionarnos las mediciones más precisas de la energía oscura y otros descubrimientos cósmicos increíbles.WFIRST es la misión principal de la NASA para la década de 2020, y en este momento su lanzamiento está programado para 2024. El telescopio no será grande, infrarrojo, no cubrirá nada más que lo que Hubble no puede hacer. Simplemente lo hará mejor y más rápido. Cuanto mejor El Hubble, que estudia cierta parte del cielo, recoge la luz de todo el campo de visión y puede fotografiar nebulosas, sistemas planetarios, galaxias, cúmulos de galaxias, simplemente recolectando muchas imágenes y uniéndolas. WFIRST hará lo mismo, pero con un campo de visión 100 veces mayor. En otras palabras, todo lo que el Hubble puede hacer, WFIRST puede hacerlo 100 veces más rápido. Si tomamos las mismas observaciones que se hicieron durante el experimento Hubble eXtreme Deep Field, cuando Hubble observó la misma parte del cielo durante 23 días y descubrió 5500 galaxias allí, entonces WFIRST habría encontrado más de medio millón durante este tiempo.
Imagen del experimento Hubble eXtreme Deep Field, la más profunda de nuestras observaciones del universo hoy¡Pero lo que más nos interesa no son esas cosas que sabemos que descubriremos con la ayuda de estos dos hermosos observatorios, sino aquellas de las que no sabemos nada! Lo principal que debe esperar para estos descubrimientos es una buena imaginación, una idea de lo que todavía podemos encontrar y una comprensión de la sensibilidad técnica de estos telescopios. Para que el Universo revolucione nuestro pensamiento, no es necesario que la información que descubramos sea radicalmente diferente de lo que sabemos. ¡Y aquí hay siete candidatos para lo que James Webb y WFIRST pueden descubrir!
Comparación de los tamaños de los planetas recientemente descubiertos que orbitan alrededor de la tenue estrella roja TRAPPIST-1 con los satélites galileanos de Júpiter y el sistema solar interior. Todos los planetas encontrados en TRAPPIST-1 son similares en tamaño a la Tierra, pero el tamaño de la estrella solo se acerca a Júpiter.1) Una atmósfera rica en oxígeno en un mundo potencialmente habitado de tamaño terrestre. Hace un año, la búsqueda de mundos terrenales en las zonas habitadas de estrellas similares al sol estaba en su apogeo. Pero el descubrimiento de Proxima b, y los siete mundos terrestres alrededor de TRAPPIST-1, mundos terrestres que giran alrededor de pequeñas enanas rojas, crearon una tormenta de divisiones agudas. Si estos mundos están habitados y tienen una atmósfera, ¡el tamaño relativamente grande de la Tierra en comparación con el tamaño de sus estrellas sugiere que durante el tránsito podremos medir el contenido de su atmósfera! El efecto absorbente de las moléculas (dióxido de carbono, metano y oxígeno) puede dar la primera evidencia indirecta de la vida. James Webb podrá ver esto, ¡y los resultados pueden sorprender al mundo!
El escenario de Big Break estallará si descubrimos un aumento en la fuerza de la energía oscura con el tiempo2) Evidencia de la inconstancia de la energía oscura y el posible inicio de la Gran ruptura. Uno de los principales objetivos científicos de WFIRST es observar estrellas a distancias muy grandes en busca de supernovas de tipo Ia. Estos mismos eventos nos permitieron descubrir la energía oscura, pero en lugar de decenas o cientos, recopilará información sobre miles de eventos ubicados a grandes distancias. Y nos permitirá medir no solo la velocidad de expansión del Universo, sino también el cambio en esta velocidad en el tiempo, con una precisión diez veces mayor que la actual. Si la energía oscura difiere de la constante cosmológica en al menos 1%, la encontraremos. Y si es solo un 1% más en valor absoluto que la presión negativa de la constante cosmológica, nuestro universo terminará en una gran brecha. Definitivamente será una sorpresa, pero tenemos un Universo, y debemos escuchar lo que está lista para contar sobre ella.
La galaxia más distante conocida hasta la fecha, confirmada por Hubble a través de la espectroscopía, es visible para nosotros tal como era cuando el universo tenía solo 407 millones de años.3) Estrellas y galaxias de tiempos anteriores a lo que predicen nuestras teorías. Con sus ojos infrarrojos, James Webb podrá mirar hacia el pasado cuando el Universo tenía entre 200 y 275 millones de años, solo el 2% de su edad actual. Esto debería capturar la mayoría de las primeras galaxias y la etapa tardía de la formación de las primeras estrellas, pero podemos encontrar evidencia de que las generaciones anteriores de estrellas y galaxias existieron incluso antes. Si esto sucede, significará que el crecimiento gravitacional desde el momento de la aparición de la radiación relicta (380,000 años) hasta la formación de las primeras estrellas salió de alguna manera mal. ¡Esto definitivamente será un problema interesante!
El núcleo de la galaxia NGC 4261, al igual que los núcleos de una gran cantidad de galaxias, muestra signos de la presencia de un agujero negro supermasivo, tanto en el infrarrojo como en los rangos de rayos X4) Agujeros negros supermasivos que aparecieron antes de las primeras galaxias. Hasta los momentos más lejanos del pasado que pudimos medir, hasta el momento en que el Universo tenía aproximadamente mil millones de años, las galaxias contienen agujeros negros supermasivos. La teoría estándar dice que estos agujeros negros se originaron en las primeras generaciones de estrellas, se fusionaron y cayeron en el centro de los cúmulos, y luego acumularon materia y se convirtieron en BH supermasivos. La esperanza estándar es encontrar la confirmación de este patrón y los agujeros negros en las primeras etapas de crecimiento, pero será una sorpresa si los encontramos ya completamente formados en estas primeras galaxias. ¡James Webb y WFIRST podrán arrojar luz sobre estos objetos, y encontrarlos en cualquier forma será un gran avance científico!
Los planetas descubiertos por Kepler, ordenados por tamaño, a partir de mayo de 2016, cuando lanzaron la mayor muestra de nuevos exoplanetas. Muy a menudo, los mundos son un poco más grandes que la Tierra y un poco más pequeños que Neptuno, pero los mundos de pequeña masa pueden no ser visibles para Kepler.5) Los exoplanetas de pequeña masa, solo el 10% de la tierra, pueden ser los más comunes. Esta es la especialidad de WFIRST: la búsqueda de microlentes en grandes áreas del cielo. Cuando una estrella pasa frente a otra estrella, desde nuestro punto de vista, la curvatura del espacio da lugar a un efecto creciente, con un aumento predecible y una posterior disminución del brillo. La presencia de planetas en el sistema en primer plano cambiará la señal de luz y nos permitirá reconocerlos con una precisión mejorada, reconociendo masas más pequeñas que cualquier otro método. Con WFIRST, exploramos todos los planetas hasta una masa del 10% de la Tierra, un planeta del tamaño de Marte. ¿Son los mundos como Marte más comunes que los de la Tierra? ¡WFIRST puede ayudarnos a resolver esto!
Ilustración de CR7, la primera de las galaxias detectadas que contienen estrellas de la población III, la primera de las estrellas del Universo. James Webb puede tomar una foto real de esta y otras galaxias6) Las primeras estrellas pueden llegar a ser más masivas que las que existen actualmente. Al estudiar las primeras estrellas, ya sabemos que son muy diferentes de las actuales: casi el 100% consistían en hidrógeno puro y helio, sin otros elementos. Pero otros elementos juegan un papel importante en el enfriamiento, la emisión y la prevención de la aparición de estrellas demasiado grandes en las primeras etapas. La estrella más grande conocida hoy está en la Nebulosa de la
Tarántula , y es 260 veces la masa del Sol. ¡Pero las estrellas en el Universo temprano podrían encontrarse 300, 500 e incluso 1000 veces más pesadas que el Sol! James Webb debería darnos la oportunidad de descubrirlo y contarnos algo sorprendente sobre las primeras estrellas del universo.
La salida de gas en las galaxias enanas ocurre durante la formación activa de las estrellas, debido a que la materia ordinaria se va volando y queda materia oscura7) La materia oscura puede no dominar tanto en las primeras galaxias como en las actuales. Probablemente finalmente podremos medir galaxias en partes remotas del universo y determinar si la relación entre la materia ordinaria y la oscuridad está cambiando. Con la formación intensiva de nuevas estrellas, la materia ordinaria fluye fuera de la galaxia, a menos que la galaxia sea muy grande, lo que significa que en las primeras galaxias oscuras, debería haber más materia normal en relación con la oscuridad que en las galaxias oscuras ubicadas no lejos de nosotros. Tal observación confirmará el concepto actual de materia oscura y teorías de impacto de la gravedad modificada; La observación opuesta puede refutar la teoría de la materia oscura. James Webb podrá hacer frente a esto, pero las estadísticas acumuladas de las observaciones de WFIRST realmente aclararán todo.
La idea del artista de cómo podría verse el Universo al formar las primeras estrellasTodas estas son solo posibilidades, y hay demasiadas posibilidades para enumerarlas aquí. El punto central de las observaciones, la acumulación de datos y la investigación científica es que no sabemos cómo funciona el Universo, hasta que hagamos las preguntas correctas que nos ayudarán a resolver esto. James Webb se centrará en cuatro temas principales: la primera luz y la
reionización , la recolección y el crecimiento de galaxias, el nacimiento de estrellas y la formación de planetas, así como la búsqueda de planetas y el origen de la vida. WFIRST se centrará en la energía oscura, las supernovas,
las oscilaciones acústicas bariónicas , los exoplanetas, tanto con microlente como con observación directa, y observaciones de grandes partes del cielo en el rango del infrarrojo cercano que excederán en gran medida las capacidades de observatorios anteriores como 2MASS y WISE.
Un mapa infrarrojo de todo el cielo obtenido por la nave espacial WISE. WFIRST superará seriamente la resolución espacial y la profundidad de campo disponible para WISE, permitiéndonos mirar más profundo y más lejos.Somos increíblemente conscientes del Universo de hoy, pero las preguntas a las que James Webb y WFIRST recibirán respuestas solo se hacen hoy, según lo que ya hemos estudiado. Puede resultar que no habrá sorpresas en todos estos frentes, pero es más probable que no solo descubramos sorpresas, sino también que nuestras conjeturas sobre su naturaleza resulten estar completamente equivocadas. Parte del interés científico es que nunca sabes cuándo o cómo te sorprenderá el Universo al descubrir algo nuevo. Y cuando hace esto, llega la mayor oportunidad de toda la humanidad avanzada: nos permite aprender algo completamente nuevo y cambia la forma en que entendemos nuestra realidad física.
Ethan Siegel - astrofísico, divulgador científico, autor de ¡Comienza con un golpe! Escribió los libros "Más allá de la galaxia" [ Más allá de la galaxia ] y "Tracknología: la ciencia de Star Trek" [ Treknology ].