¿Por qué el telescopio James Webb muestra las estrellas con 8 puntas?

Se trata de la imagen más profunda tomada del universo primitivo en el rango del infrarrojo, obtenida el 7 de junio de 2022 tras doce horas y media de exposición.

En primer plano observamos las galaxias del cúmulo SMACS 0723, situado a 4200 millones de años luz. También vemos figuras distorsionadas de galaxias más lejanas (y desconocidas hasta la fecha) justo detrás del cúmulo, cuya luz ha sido desviada por el efecto de lente gravitacional de SMACS 0723.

Ante semejante imagen sin precedentes, cabe hacernos las siguientes preguntas: ¿cómo es capaz el James Webb de obtener tales imágenes? ¿Por qué se registra una imagen estrellada de ocho puntas al visualizar un objeto como una estrella?

Vamos a dar respuesta a estas cuestiones abordando con detalle la óptica de este increíble telescopio espacial.

Los instrumentos ópticos del James Webb

La formación de una imagen se puede entender como un proceso sencillo en el que la luz que proviene de un objeto es proyectada en un plano.

Para hacer corresponder el objeto y el plano es necesario un sistema óptico que, en el caso de los telescopios más sencillos, está formado por dos elementos: ocular y objetivo. Su cometido es permitir una correcta focalización del objeto.

En el caso de la imagen digital (como las que realizamos con nuestros móviles) esta luz es captada por un sensor cuyo objetivo es transformar la energía luminosa en imagen digital. Generalmente distinguimos entre los tradicionales sensores basados en dispositivos de carga acoplada (CCD) y los formados por semiconductores de metal-óxido (CMOS).

En este sentido, el telescopio espacial James Webb incorpora cuatro instrumentos clave basados en sensores ópticos para la observación del cosmos en el infrarrojo:

1. MIRI (instrumento para la observación del infrarrojo medio). Cubre un rango de longitud de onda de 5 a 28 micras. Permitirá la observación de galaxias lejanas y estrellas en formación.

2. NIRCam (cámara para la observación el infrarrojo cercano). Esta cámara permitirá la observación de los objetos más lejanos del espacio en el rango del espectro de 0,6 a 5 micras.

3. NIRSpec (espectrómetro para el infrarrojo cercano). Es el único instrumento que no contiene una cámara y será capaz de analizar las distintas longitudes de onda de fuentes emisoras muy lejanas. Podrá observar 100 objetos al mismo tiempo.

4. FGS/NIRISS (sensores de obtención de imagen en el infrarrojo cercano y de alineamiento). Permitirá alinear correctamente el telescopio para la obtención de imágenes de alta calidad, especialmente la detección y caracterización de exoplanetas en el rango 0,8 a 5 micras.

La respuesta está en la difracción

Cuando el James Webb registra la imagen de una estrella, la difracción de la luz (debida a la geometría hexagonal del espejo primario del telescopio) es la causante de un patrón típico en forma de “estrella de ocho puntas”.

Pero ¿en qué consiste exactamente este fenómeno óptico de la difracción?

La definición es simple, aunque su tratamiento matemático puede ser bastante complejo. Difracción es desviación en la propagación rectilínea de las ondas (en nuestro caso, ondas luminosas) cuando atraviesan una abertura o los bordes de un obstáculo.

Como ejemplo general, en esta animación se puede observar cómo las oscilaciones de agua (procedentes de la derecha) son difractadas por una pequeña abertura, cambiando la dirección de propagación de las mismas.

Este fenómeno es más patente a medida que las dimensiones del objeto difractor son menores o iguales que la longitud de onda de las oscilaciones.

Inicialmente observada y descrita en el siglo XVII por el astrónomo italiano Francesco María Grimaldi, la difracción de la luz es una clara manifestación de la teoría ondulatoria de las ondas luminosas defendida, entre otros, por Christian Huygens, Thomas Young y Agustin Fresnel (en contraposición a la teoría corpuscular de luz de Isaac Newton).

En la vida cotidiana se pueden observar abundantes fenómenos debidos a la difracción: si observamos en la noche una farola a través de una mosquitera (formada por una malla cuadrada), se puede apreciar una especie de cruz. Cuando iluminamos un disco compacto con luz blanca apreciamos una variada gama de colores.

La difracción no solo depende del tamaño de la abertura u obstáculo difractor, sino que también influye de manera significativa la geometría del mismo. En el caso de un telescopio espacial tipo reflector, la mayor carga difractiva se debe al espejo primario.

En aquellos espejos con geometría circular, el patrón difractivo consta de una serie de círculos concéntricos, siendo el central el de máxima intensidad (llamado también “disco de Airy”).

Para geometrías cuadradas, la imagen de difracción está formada por una cruz. En el caso que nos ocupa, la geometría hexagonal del espejo primario del telescopio genera una imagen de difracción estrellada de seis puntas.

¿Qué ocurre entonces con la imagen estrellada de ocho puntas que registra el James Webb?

La clave está en los soportes del espejo primario (struts, en inglés) que también contribuyen a la difracción del telescopio. Como consecuencia, aparecen dos puntas horizontales cruzando las 6 anteriormente citadas.

Por ello, las imágenes estelares registradas por su predecesor, el telescopio espacial Hubble (con espejo primario casi circular), presentan imágenes estrelladas de cuatro puntas (teniendo en cuenta su geometría y sus soportes) y no de ocho, como el James Webb.

Relevancia de estas nuevas imágenes

Mirar al universo más profundo equivale a estudiar el universo más antiguo y primitivo, justo cuando las galaxias primigenias se estaban formando.

No es solo el hecho de que al contemplar la imagen del cúmulo galáctico SMACS 0723 encontramos nuevas y desconocidas galaxias. Nos estamos adentrando en los primeros instantes del universo.

Sirva como dato que la luz infrarroja que detectó el James Webb tardó 13000 millones de años en llegar hasta él (la edad del universo es de unos 13700 millones de años).

Es sabido que los científicos de la NASA que tuvieron acceso a estas primeras imágenes quedaron conmovidos por la calidad y la belleza de las mismas. Será solo un primer paso en el progreso de la observación del cosmos.

Sin duda, las siguientes capturas del James Webb nos seguirán conmoviendo e ilusionando, como mínimo, tanto como la primera.

*Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Puedes leer la versión original aquí.

Oscar del Barco Novillo es profesor asociado en el área de Óptica en la Universidad de Murcia.

Francisco Javier Ávila Gómez es profesor ayudante, doctor en física aplicada (área de óptica) en la Universidad de Zaragoza.