Cómo el Telescopio Espacial Hubble nos abrió los ojos a las primeras galaxias del universo

El lanzamiento del Telescopio Espacial Hubble el 24 de abril de 1990. Esta foto captura la primera vez que hubo transbordadores en las plataformas 39a y 39b. NASA

El Telescopio Espacial Hubble fue lanzado el 24 de abril, hace 30 años. Es un hito impresionante, especialmente porque su vida útil prevista era de sólo 10 años.

Una de las principales razones de la longevidad del telescopio Hubble es que puede ser reparado y mejorado con nuevos instrumentos de observación a través de las visitas del transbordador espacial.

Cuando el Hubble, o HST, fue lanzado por primera vez, sus instrumentos podían observar la luz ultravioleta con longitudes de onda más cortas de lo que el ojo puede ver, así como la luz óptica con longitudes de onda visibles para los humanos. Una misión de mantenimiento en 1997 añadió un instrumento para observar la luz infrarroja cercana, que son longitudes de onda más largas de lo que la gente puede ver. Los nuevos ojos infrarrojos del Hubble proporcionaron dos nuevas capacidades principales: la capacidad de ver más lejos en el espacio que antes y ver más profundamente en las regiones polvorientas de la formación de estrellas.

Soy un astrofísico de la Universidad de Arizona que ha utilizado las observaciones en el infrarrojo cercano para comprender mejor cómo funciona el universo, desde la formación de estrellas hasta la cosmología. Hace unos 35 años, tuve la oportunidad de construir una cámara y un espectrómetro en el infrarrojo cercano para el Hubble. Fue la oportunidad de mi vida. La cámara que mi equipo diseñó y desarrolló ha cambiado la forma en que los humanos ven y entienden el universo. El instrumento fue construido en Ball Aerospace en Boulder, Colorado, bajo nuestra dirección.

La luz que podemos ver con nuestros ojos es parte de un rango de radiación conocido como el espectro electromagnético. Las longitudes de onda de luz más cortas son de mayor energía, y las longitudes de onda de luz más largas son de menor energía. El Telescopio Espacial Hubble ve principalmente luz visible (indicada aquí por el arco iris), así como algo de radiación infrarroja y ultravioleta. NASA/JHUAPL/SwRI

Viendo más y más temprano

Edwin Hubble, el tocayo del HST, descubrió a principios del siglo XX que el universo se está expandiendo y que la luz de las galaxias distantes fue desplazada a longitudes de onda más largas y rojas, un fenómeno llamado corrimiento al rojo. Cuanto mayor es la distancia, mayor es el desplazamiento. Esto se debe a que cuanto más lejos está un objeto, más tiempo tarda la luz en llegar a nosotros aquí en la Tierra y más se ha expandido el universo en ese tiempo.

Los instrumentos ultravioleta y ópticos del Hubble habían tomado imágenes de las galaxias más distantes jamás vistas, conocidas como el Campo Profundo del Norte del Hubble, o NHDF, que fueron liberadas en 1996. Estas imágenes, sin embargo, habían alcanzado su límite de distancia debido al corrimiento al rojo, que había desplazado toda la luz de las galaxias más distantes fuera del visible y hacia el infrarrojo.

Uno de los nuevos instrumentos añadidos al Hubble en la segunda misión de mantenimiento tiene el incómodo nombre de Cámara de Infrarrojo Cercano y Espectrómetro Multi-Objeto, NICMOS, pronunciado «Nick Moss». Las cámaras de infrarrojo cercano de la NICMOS observaron regiones del NHDF y descubrieron galaxias aún más distantes con toda su luz en el infrarrojo cercano.

Una típica imagen tomada con NICMOS. Muestra un gigantesco cúmulo de estrellas en el centro de nuestra Vía Láctea. La NICMOS, gracias a sus capacidades infrarrojas, es capaz de mirar a través de las pesadas nubes de polvo y gas en estas regiones centrales. NASA/JHUAPL/SwRI

Los astrónomos tienen el privilegio de ver cosas que suceden en el pasado, lo que llaman «tiempo de retorno». Nuestra mejor medida de la edad del universo es de 13.700 millones de años. La distancia que recorre la luz en un año se llama año luz. Las galaxias más distantes observadas por la NICMOS estaban a una distancia de casi 13 mil millones de años luz. Esto significa que la luz que la NICMOS detectó había estado viajando durante 13.000 millones de años y mostraba cómo eran las galaxias hace 13.000 millones de años, una época en la que el universo tenía sólo un 5% de su edad actual. Estas fueron algunas de las primeras galaxias creadas y estaban formando nuevas estrellas a velocidades que eran más de mil veces la velocidad a la que la mayoría de las galaxias forman estrellas en el universo actual.

Oculto por el polvo
Aunque los astrónomos han estudiado la formación de estrellas durante décadas, aún quedan muchas preguntas. Parte del problema es que la mayoría de las estrellas se forman en nubes de moléculas y polvo. El polvo absorbe el ultravioleta y la mayor parte de la luz óptica emitida por las estrellas en formación, lo que dificulta el estudio del proceso por parte de los instrumentos ópticos y ultravioletas del Hubble.

Cuanto más larga, o más roja, sea la longitud de onda de la luz, menos se absorbe. Es por eso que los atardeceres, en los que la luz debe pasar a través de largas longitudes de aire polvoriento, aparecen rojos.

El infrarrojo cercano, sin embargo, tiene más facilidad para pasar a través del polvo que la luz óptica roja. La NICMOS puede mirar en las regiones de formación estelar con la calidad de imagen superior del Hubble para determinar los detalles de dónde ocurre la formación estelar. Un buen ejemplo es la icónica imagen del Hubble de la Nebulosa del Águila, también conocida como los pilares de la creación.

La imagen óptica muestra majestuosos pilares que parecen mostrar la formación de estrellas en un gran volumen de espacio. La imagen de la NICMOS, sin embargo, muestra una imagen diferente. En la imagen de la NICMOS, la mayoría de los pilares son transparentes sin formación estelar. Las estrellas sólo se forman en la punta de los pilares. Los pilares ópticos son sólo polvo vacío que refleja la luz de un grupo de estrellas cercanas.

La Nebulosa del Águila en luz visible. La NASA, la ESA y el Equipo de Patrimonio del Hubble (STScI/AURA)
En esta imagen del Telescopio Espacial Hubble están los Pilares de la Creación de la Nebulosa del Águila. Aquí, los pilares se ven en luz infrarroja, que atraviesa el polvo y el gas que los oscurece y revela una vista más desconocida, pero igual de sorprendente, de los pilares. La NASA, la ESA/Hubble y el Equipo de Patrimonio del Hubble

El amanecer de la era de los infrarrojos

Cuando la NICMOS fue añadida al HST en 1997, la NASA no tenía planes para una futura misión espacial en el infrarrojo. Eso cambió rápidamente a medida que los resultados de la NICMOS se hicieron evidentes. Basándose en los datos de la NICMOS, los científicos aprendieron que las galaxias completamente formadas existían en el universo mucho antes de lo esperado. Las imágenes de la NICMOS también confirmaron que la expansión del universo se está acelerando en lugar de ralentizarse como se pensaba anteriormente. Las imágenes infrarrojas del NHDF fueron seguidas por las imágenes de Campo Ultra Profundo del Hubble en 2005, que mostraron aún más el poder de las imágenes en el infrarrojo cercano de galaxias jóvenes distantes. Así que la NASA decidió invertir en el Telescopio Espacial James Webb, o JWST, un telescopio mucho más grande que el HST y completamente dedicado a las observaciones en el infrarrojo.

En el Hubble, un generador de imágenes en el infrarrojo cercano se añadió a la tercera versión de la cámara de campo amplio que se instaló en mayo de 2009. Esta cámara utilizó una versión mejorada de los conjuntos de detectores de la NICMOS que tenía más sensibilidad y un campo de visión más amplio. El Telescopio Espacial James Webb tiene versiones mucho más grandes de los conjuntos de detectores de la NICMOS que tienen más cobertura de longitudes de onda que las versiones anteriores.

El Telescopio Espacial James Webb, cuyo lanzamiento está previsto para marzo de 2021, seguido del Telescopio de Reconocimiento de Infrarrojos de Campo Amplio, constituye el grueso de las futuras misiones espaciales de la NASA. Todos estos programas fueron generados por las observaciones en el infrarrojo cercano del HST. Fueron posibles gracias a la inversión original de una cámara y un espectrómetro de infrarrojo cercano para darle al Hubble sus ojos infrarrojos. Con el Telescopio Espacial James Webb, los astrónomos esperan ver las primeras galaxias que se formaron en el universo.

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