¿Cómo puede ver el origen del universo el telescopio James Webb?

El observatorio James Webb, a punto de elevarse a los cielos (a un kilómetro y medio de distancia de la Tierra), podrá captar la primera “luz” del cosmos. Pero, ¿cómo es posible? ¿Cómo se puede observar algo que ocurrió en el origen de los tiempos?

Para empezar, si James Webb va a detectar el parto cósmico, ¿para dónde mira? Si va a ver el origen de todo, la luz primordial, el primer fogonazo tras la oscuridad eterna, ¿a dónde apunta?

El Big Bang es engañoso

La respuesta implica una de las historias más fascinantes de la ciencia. Aceptemos una sopa primordial y oscura de partículas, de pronto, una explosión y el universo comienza a existir. Con la explosión llegan el espacio, el tiempo, la materia y la energía.

Hasta aquí, podríamos hablar de un punto exacto en el que comenzara todo. Pero no es exactamente así.

«El nombre Big Bang transmite la idea de un petardo que explota en un momento y lugar, con un centro. Pero el universo no tiene centro»

“El Big Bang es un nombre realmente engañoso para el universo en expansión que vemos. Vemos un universo infinito expandiéndose sobre sí mismo. El nombre Big Bang transmite la idea de un petardo que explota en un momento y lugar, con un centro. Pero el universo no tiene centro. El Big Bang fue un proceso que sucedió en el tiempo, no un punto en el tiempo. Sabemos esto porque vemos galaxias alejándose unas de otras, no desde un punto central, y también vemos el calor que sobró de los primeros tiempos, y ese calor llena uniformemente el universo”, explica John Mather, científico principal del proyecto del telescopio espacial James Webb en la página oficial de la NASA.

Todo lo que existe a día de hoy, diciembre del año 2021, todo, desde las partículas esenciales que forman las alas de una mariposa o el boli que muerdo, hasta el polvo galáctico más allá de Orión, todo vivió esencialmente en  el Big Bang.

No hay un centro desde el que se expandió el universo porque, entre otras cosas, no existía el espacio, ni siquiera existía el tiempo. El espacio se crea porque la materia comienza a ocuparlo. Hay una metáfora que quizá ayuda a entender cómo es esto de que el espacio no existía hasta que fue ocupado. Es como pensar en el futuro, que no existe nunca. Ocupamos el futuro, a medida que vivimos el presente. Así, el espacio y el tiempo existen a medida que el universo se expande. Muy loco, ¿no?

Las matemáticas, esa ciencia que dice que existen dimensiones infinitas, o define las reglas con las que funcionan los universos paralelos, muestra que el universo es isótropo y homogéneo. Es decir, es igual lo mires por donde lo mires. Este principio, de hecho, está avalado por las observaciones.

Así que esta es la respuesta a la primera pregunta: ¿hacia dónde ha de mirar James Webb para ver el origen del cosmos? Da igual.

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El viaje desde los orígenes

Desde cualquier punto de este universo exótico y convulso, podría obtenerse una foto de su origen.

Es fácil olvidar que la luz necesita tiempo para viajar. Cuando vemos la luna, la vemos como estaba 1,3 segundos antes. Así, para ver diez mil millones de años en el pasado, hay que observar a diez mil millones de años luz de distancia.

Sería posible que en alguna parte del universo haya alguien viendo nuestra galaxia, la Vía Láctea, tal y como era al principio, justo cuando nació, en un tiempo en el que no existía la Tierra ni los humanos.

Con James Webb tendremos, efectivamente, una foto de como eran las cosas en el principio de los tiempos

Ahora démosle la vuelta a esto. Al analizar el espectro de luz que nos llega de un objeto, podemos saber a qué distancia está de nosotros, y por tanto, a qué momento del pasado pertenece la foto que recibimos. Con James Webb tendremos, efectivamente, una foto de como eran las cosas en el principio de los tiempos.

Hay otro cálculo probado, y es que el universo tiene ya una edad. 13.700 millones de años, millón arriba, millón abajo. Aceptado esto, James Webb es tan sensible que podrá captar la luz de los primeros objetos que se formaron, serán las primeras estrellas y galaxias, o lo que fuera que se formara en el principio del espacio y el tiempo.

Ese destello habrá pasado 13.700 millones de años viajando por el espacio hasta llegar al James Webb. Será una debilísima radiación infrarroja invisible al ojo humano. El equipo internacional de ingenieros y científicos que ha construido el Webb ha tenido que idear el telescopio más grande, caro y complejo de la historia para captarla.

¿Por qué luz infrarroja?

El universo está en expansión permanente. El espacio entre las galaxias se hace cada vez mayor a medida que se expande. Entre Andrómeda y la Vía Láctea que habitamos, cada vez hay más hueco. La luz que recibimos de las galaxias se “estira” a medida que se alejan en su viaje a través del espacio.

Para entenderlo a menudo se pone el ejemplo del sonido de una sirena: lo percibiremos más agudo cuando está más cerca y más grave cuando se aleja. A las longitudes de onda de la luz emitidas por objetos también les ocurre lo mismo.

La luz se comprime al acercarse (volviéndose azul) y se estira al alejarse (haciéndose más roja). Ese estiramiento recibe el nombre de corrimiento cosmológico al rojo. Y aquí viene la clave de todo: si observamos un objeto que se está alejando de nosotros, la luz que percibimos sufrirá un corrimiento al rojo proporcional a la velocidad y la distancia a la que se mueva el objeto en cuestión.

La señal que llegará de la primera luz del cosmos será muy débil, y habrá viajado 13.600 millones de años luz hasta llegar al James Webb

Esa luz nos permitirá saber a qué velocidad se mueve y a qué distancia está. La señal que llegará de la primera luz del cosmos será muy débil, y sabrán que procede de ahí porque su longitud de onda indicará que llega de un lugar a 13.600 millones de años luz, el momento en que posiblemente se formó el primer fotón. Esa señal en el infrarrojo es una brizna de calor, que solo es posible reconocer si el telescopio está, en contraste, realmente frío.

La sensibilidad de James Webb

JWST se mantendrá casi tan oscuro y tan frío como el espacio exterior, para asegurar que podrá recibir señales tan distantes

En el camino a su destino, el telescopio desplegará lentamente cinco láminas hechas con Kapton, del tamaño de una cancha de tenis, y más delgadas que el papel de un cuaderno. Estas láminas funcionaran como una sombrilla gigantesca, protegiendo el cuerpo del telescopio de la luz y el calor del sol, la luna y la Tierra. De esta manera, el JWST se mantendrá casi tan oscuro y tan frío como el espacio exterior, para asegurar que podrá recibir señales tan distantes.

Una vez desplegado el paraguas protector, se abrirán dieciocho hexágonos de espejo de berilio recubierto de oro, como una enorme flor. Los espejos formarán una superficie reflectante tan alta y ancha como una casa, y tendrá la capacidad de detectar esa la luz que ha estado viajando durante más de trece mil millones de años.

La química que dio origen a la vida

Al observar en el infrarrojo, veremos más atrás en el tiempo de lo que ha conseguido Hubble, y veremos la luz proveniente de las primeras galaxias que se formaron.

James Webb podrá captar las débiles señales de calor de estos objetos que están tan lejos.

JWST no fue diseñado para ver los comienzos del universo, que era una inmensa sopa de partículas en la absoluta oscuridad, sino para ver un período de la historia del universo que aún no hemos visto antes. Específicamente, con James Webb esperan ver los primeros objetos que se formaron cuando el universo se enfrió después del Big Bang.  No sabemos exactamente cuándo el universo generó las primeras estrellas y galaxias, ni cómo ocurrió. Eso es lo que JWST ayudará a responder.

“Los elementos químicos de la vida se produjeron por primera vez en esa primera generación de estrellas después del Big Bang. Estamos aquí hoy gracias a ellos, ¡y queremos comprender mejor cómo sucedió eso! Tenemos ideas, tenemos predicciones, pero realmente no tenemos certezas. De una forma u otra, las primeras estrellas deben haber influido en nuestra propia historia, comenzando por agitar todo y producir los demás elementos químicos además del hidrógeno y el helio. Si realmente queremos saber de dónde provienen nuestros átomos y cómo el pequeño planeta Tierra llegó a ser capaz de sustentar la vida, hace falta conocer lo que sucedió al principio. Eso es lo que va a lograr James Webb”, añade John Mather, científico principal del proyecto del telescopio espacial James Webb.