¿Por qué el telescopio espacial James Webb (JWST) ve el espacio en luz infrarroja? » ABC de la ciencia

Las imágenes infrarrojas permiten a JWST ver objetos celestes que antes estaban ocultos por nubes espesas, y también presenta el beneficio de tener en cuenta el desplazamiento hacia el rojo de la luz en el espacio. Por lo tanto, nos permite observar estrellas y galaxias antiguas y distantes del Universo Primitivo.

JWST (también conocido como “Webb”) nos ha brindado una nueva perspectiva y un nuevo método para ver eventos del pasado lejano (alrededor de 13.500 millones de años).

Sin embargo, el ojo modificado que proporciona no posee la misma mecánica que un ojo humano. En lugar de observar el espectro de luz visible (que los humanos pueden ver), JWST prefiere ver la luz infrarroja sobre otros espectros de luz. Dado que el ojo no puede ver la mayor parte de la luz emitida por los objetos celestes, es apropiado referirse a él como un “ojo nuevo”, dadas sus capacidades y hallazgos innovadores.

Pero, ¿cuáles son los beneficios de ver el rango infrarrojo en longitudes de onda más largas, como los espectros de microondas y ondas de radio? Antes de responder a esto, es necesario comprender que diferentes espectros de luz son solo diferentes longitudes de onda de energía producidas por la misma fuente de luz (ver imagen a continuación). Cuando la longitud de onda es más corta, la energía que transporta la luz es mayor. ¡Por eso debemos evitar la radiación ultravioleta emitida por el sol! Son longitudes de onda poderosas que pueden causar daños en el ADN.

Luz visible vectorial con diferencia de longitud de onda entre los colores del espectro que dan diferentes propiedades. El ojo humano puede ver el espectro de color blanco que se compone de todos los colores del arco iris (udaix)

Espectro electromagnético; Las longitudes de onda de la energía producida por una fuente de luz (Crédito de la foto: udaix/Shutterstock)

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¿Qué son los espectros de luz? ¿Y qué usan otros telescopios para obtener imágenes?

Seis de los siete espectros de luz son invisibles para nosotros. Como resultado, nuestros ojos solo pueden ver un pequeño porcentaje de cualquier objeto que produzca luz, las longitudes de onda de la “luz visible”, que van desde 4 10-7 a 7 10-7. Como se muestra en el gráfico anterior, las ondas de radio tienen las longitudes de onda más largas, los rayos gamma tienen la longitud de onda más corta y los infrarrojos tienen una longitud de onda más grande que la luz visible.

El nombre “infrarrojo” se usa porque este rango de luz se encuentra ligeramente por debajo de las longitudes de onda de la luz roja visible, mientras que las longitudes de onda por encima del espectro visible parecen ser más azul/violeta, de ahí el título “ultravioleta”. Entonces, ¿qué tienen que ver los espectros de luz con las imágenes telescópicas?

Los telescopios usan detectores y cámaras para filtrar diferentes longitudes de onda, asegurando que solo las longitudes de onda deseadas se recopilen y transformen electrónicamente para su visualización. En comparación con sus predecesores, JWST tiene numerosos detectores sensibles (incluida la cámara de infrarrojo medio y la cámara de infrarrojo cercano) para ver el espectro completo de la luz infrarroja y ofrecernos fotos más nítidas y detalladas de la luz proveniente de miles de millones de años luz de distancia. .

Por otro lado, el Telescopio Espacial Hubble detecta luz en el espectro visible, mientras que el Telescopio Espacial Spitzer observa luz en un rango más corto dentro del espectro infrarrojo. Además, el Observatorio de rayos X Chandra ve la luz en su espectro de rayos X. Como resultado, podemos decir que cada telescopio nos brinda varias perspectivas para observar el universo.

Spitzer en el espectro electromagnético

Rangos del espectro electromagnético en los que se enfocan diferentes telescopios (Crédito de la foto: James Webb Space Telescope/Wikimedia Commons)

¿Cuáles son las ventajas de utilizar la radiación infrarroja en los telescopios?

Dado que las diferentes longitudes de onda de la luz muestran distintos procesos y eventos en el espacio, el uso del espectro infrarrojo nos presenta una perspectiva y una lente diferentes para nuestro Universo. Como resultado, hay varias razones por las que se prefiere el infrarrojo a las longitudes de onda más largas, como las microondas o las ondas de radio. La capacidad de la luz infrarroja para atravesar nubes densas y heladas de polvo y gas (en comparación con otras longitudes de onda), un fenómeno conocido como “desplazamiento al rojo”, y la relación entre la longitud de onda y la temperatura son las tres razones fundamentales por las que JWST utiliza la observación infrarroja. .

¿Nubes transparentes?

La radiación infrarroja tiene la capacidad única de penetrar nubes espesas de polvo y gas que otras longitudes de onda de luz no pueden atravesar. Cuando se ven a través de los rangos visible o ultravioleta, estas nubes frías y densas son opacas, ya que las pequeñas partículas de polvo en el interior pueden absorber las longitudes de onda más cortas de la luz. En consecuencia, cuando estas longitudes de onda cortas se utilizan para obtener imágenes, evita que se detecte la luz de los objetos detrás o dentro de las nubes, y solo se nota el brillo de la nube. ¡Esto es inconveniente, ya que las áreas de formación de estrellas se encuentran dentro de estas nubes!

Después de ser escaneado con luz infrarroja, el polvo comienza a perder su capacidad de encubrir y oscurecer cualquier cosa dentro y detrás de él. Por lo tanto, JWST es capaz de ver a través de objetos que antes parecían impenetrables, y eventualmente revelará las primeras estrellas y galaxias en nuestro universo que antes estaban ocultas.

Los telescopios de Webb y Hubble comparan los beneficios visuales de lado a lado.

la vista de Webb (infrarrojo) y Hubble (luz visible) de la nebulosa de Carina; hay más detalles en la imagen infrarroja de Webb, ya que se puede ver el vivero de estrellas dentro de la nebulosa. (Crédito de la foto: Claudio Caridi/Shutterstock)

El corrimiento al rojo puede ser confuso

Para empezar, uno de los objetivos clave de JWST es examinar algunas de las primeras estrellas, galaxias y planetas que surgieron después del comienzo del universo. ¡Como resultado, Webb debe analizar áreas del espacio que están inimaginablemente lejos! A medida que miramos más profundamente en el espacio, podemos mirar más atrás en el pasado, debido al tiempo que tarda la luz en viajar y llegar a nosotros. Desde un punto de vista cósmico, ¡la velocidad de la luz puede parecer bastante lenta para los astrónomos!

Aquí se presenta el principio del corrimiento al rojo, que a veces puede resultar desconcertante, pero tratemos de entenderlo ahora, ya que es un fenómeno físico significativo que ocurre en las ondas de luz. ¡En la década de 1920, se descubrió que el Universo se está expandiendo a un ritmo acelerado nada menos que por Edwin Hubble! También observó que a medida que miramos más lejos en el espacio, los objetos se alejan de nosotros más rápido debido a la expansión del universo, lo que provoca que se produzca un desplazamiento hacia el rojo.

A medida que el universo se expande, la luz emitida por objetos viejos y distantes se extiende a longitudes de onda más largas. Como resultado, la longitud de onda de la luz de las galaxias y estrellas en el universo primitivo se habría extendido tanto por la expansión del tejido del espacio-tiempo que ahora se detecta principalmente en el espectro infrarrojo.

Ilustración de vector de corrimiento al rojo cosmológico

Longitud de onda y distancia original (izquierda) y estirada (derecha) entre la Tierra y una galaxia distante. (Crédito de la foto: VectorMine/Shutterstock)

Este fenómeno de aumento/estiramiento de las longitudes de onda de la luz hacia el espectro infrarrojo se denomina “desplazamiento al rojo”. Por lo tanto, Webb debe ver el universo antiguo con detectores de infrarrojos, para poder ver algunas de las luces más antiguas que se han “desplazado hacia el rojo” en el transcurso de 13,6-13,8 mil millones de años.

Ojos térmicos en el espacio

Consideremos las cámaras térmicas por un momento. Todas estas cámaras, como la JWST, contienen sensores infrarrojos. Desde los aeropuertos hasta el espacio exterior, la radiación infrarroja es la mejor para detectar incluso los cambios más leves de temperatura, lo que simplifica la comprensión de conceptos relacionados con la temperatura como la luminosidad, el brillo, la composición molecular, etc. Contrariamente a la creencia común, muchos objetos celestes, como nebulosas, planetas y estrellas viejas, en realidad son bastante fríos (en comparación con las estrellas brillantes).

Ilustración gráfica vectorial de la imagen térmica Escaneo de las manos y el dedo sobre fondo borroso.  Espectro electromagnético.

Arriba hay un escaneo térmico (infrarrojo) de las manos de una persona. En estos escaneos, las regiones azules son más frías, mientras que las partes amarillas/naranjas/rojas son más cálidas. Estamos condicionados a asociar el rojo con el calor, pero esto solo es cierto en imágenes térmicas, por razones convencionales. ¡En el espectro electromagnético, el azul brillante es significativamente más caliente que el rojo brillante! (Crédito de la foto: Estudio Cipta/Shutterstock)

Podemos detectar la luz infrarroja para inferir lo que ocultan los objetos masivos, como las nubes de polvo, que de otro modo son opacos a la luz visible. Esto es posible ya que cuanto más frío (menos energético) sea algo, mayor será su longitud de onda. La luz, el brillo y la temperatura tienen una conexión directa que se puede notar y comprender mejor cuando se emplea la radiación infrarroja, ya que las estrellas y galaxias más antiguas son más frías y menos energéticas.

¡Las estrellas que son más jóvenes y más calientes irradian más luz visible!

Conclusión

Comprender cómo funciona el infrarrojo nos permite reconocer que tiene más beneficios que otras longitudes de onda de luz en términos de descubrir las estructuras más antiguas del universo. Además, los científicos a menudo combinarán datos de telescopios de “luz visible” (Hubble) con telescopios infrarrojos (como JWST) para crear una imagen compuesta. Luego, los datos de cada telescopio se fusionan para proporcionar imágenes aún más detalladas. Así que no se preocupe, nadie olvidará nunca lo que el Hubble logró por nosotros y seguirá logrando. Afortunadamente, ¡ahora tenemos más Ojos Cósmicos que nunca!

Nuevas imágenes de Phantom Galaxy, M74, muestran el poder de los observatorios espaciales trabajando juntos en múltiples longitudes de onda.  A la izquierda, la vista de la galaxia del Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA abarca desde las estrellas más viejas y rojas hacia el centro, a las estrellas más jóvenes y azules en sus brazos espirales, a la formación estelar más activa en las burbujas rojas de las regiones H II. .  A la derecha, la imagen del Telescopio Espacial James Webb de NASA/ESA/CSA es sorprendentemente diferente, destacando en cambio las masas de gas y polvo dentro de los brazos de la galaxia, y el denso cúmulo de estrellas en su núcleo.  La imagen combinada en el centro fusiona estos dos para una mirada verdaderamente única a esta galaxia espiral de

Hubble, Webb y su imagen combinada de M74 – The Phantom Galaxy (Crédito de la foto: NASA’s /Wikimedia Commons)

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