Com l’instrument NIRSpec de Webb va obrir 200 finestres als nostres orígens

Les respostes es troben enterrades a l’Univers llunyà, tan llunyà que la llum va viatjar milers de milions d’anys per arribar-nos, portant les imatges de les primeres galàxies formant-se. Aquest primer període, només 200 milions d’anys després del Big Bang, es troba més enllà de l’abast ja impressionant dels telescopis anteriors. Gràcies a la Telescopi espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA ara està entrant a la vista.

Però fins i tot el telescopi espacial més gran només és tan bo com els instruments connectats a ell, i aquí és on NIRSpec entra instrument, una de les contribucions europees a la missió Webb.

“Al principi de qualsevol disseny d’instrument hi ha l’ambició dels científics. L’exploració de la formació de les primeres estrelles i galàxies va donar forma a NIRSpec”, diu Pierre Ferruit, antic científic del projecte Webb de l’ESA.

NIRSpec és l’espectrògraf d’infrarojos propers de Webb. La seva feina és dividir la llum infraroja recollida per Webb en les seves longituds d’ona constitutives per formar un espectre. En mesurar com varia la brillantor en diferents longituds d’ona d’un objecte a l’espai, els astrònoms poden extreure una gran quantitat d’informació sobre les seves característiques físiques i la seva composició química. Abans de Webb i NIRSpec, era impossible fer-ho per a aquestes galàxies més llunyanes.

“Ara que ho podem fer, se’ns obre un camí enorme. Ara podem estudiar galàxies llunyanes de la mateixa manera que estudiem objectes més propers”, diu l’astrònom de l’ESA Giovanna Giardino.

Les dades permetran als astrònoms dibuixar com van evolucionar les galàxies des de les primeres etapes del cosmos fins als objectes que veiem al nostre voltant avui.

NIRSpec es va desenvolupar sota el lideratge de l’ESA amb Airbus Defence i Space Germany com a contractista principal. Airbus va reunir un equip de setanta persones als seus llocs d’Ottobrunn i Friedrichshafen, Alemanya, i Tolosa de Llenguadoc, França. A més, van comptar amb el suport de la NASA i 17 subcontractistes europeus.

Al principi, l’equip va decidir que la millor manera d’aconseguir l’èxit era no complicar res. “Quan mireu el disseny de NIRSpec, és bastant senzill”, diu Ralf Ehrenwinkler, cap del programa NIRSpec d’Airbus.

Mantenir les coses senzilles en la manera com la llum passa a través de l’instrument va permetre a l’equip concentrar-se en els aspectes revolucionaris de l’instrument. El principal d’ells era la necessitat d’enregistrar de manera eficient els espectres de molts objectes al mateix temps, cosa que mai s’havia fet a l’espai abans.

Aquesta capacitat única va ser necessària directament pel desig d’estudiar l’Univers llunyà, on les galàxies són tan febles. Hauríem d’observar-ne milers per fer una imatge completa dels nostres primers orígens.

Els nostres primers cops d’ull d’aquest regne van arribar l’any 1995 amb l’històric Camp profund del Hubble. Aprofitant la seva visió imperturbada del cosmos, el Hubble va mirar un sol tros de cel durant deu dies consecutius, a partir del 18 de desembre. El pegat seleccionat era poc més que una petita taca, aproximadament una 24-milionèsima part de tot el cel. No obstant això, el Hubble va revelar al voltant de 3000 objectes desconeguts anteriorment, la majoria d’ells galàxies joves a milers de milions d’anys llum de distància.

Gràcies al gran mirall de 6,5 metres de Webb, imatges similars de camp profund ara es poden fer en hores en lloc de dies, i NIRSpec pot gravar els seus espectres. Però hi ha tantes galàxies per registrar que seria totalment impracticable si NIRSpec només pogués prendre un espectre alhora. Així que l’equip va haver de trobar una manera de fer-ho per a molts objectes alhora.

Ho van encertar de manera espectacular.

“Som capaços de recollir espectres de fins a 200 objectes alhora, és un canvi de joc”, diu Maurice Te Plate, enginyer de sistemes NIRSpec per a l’ESA.

Per aconseguir aquesta proesa notable de multitasques, NIRSpec utilitza un dispositiu innovador anomenat matriu de micro-obturador. Fabricat i subministrat pel Goddard Space Flight Center de la NASA a Greenbelt, Maryland, EUA, consta d’un quart de milió de petites persianes autònomes. Cadascun té una mida de només 80 per 180 micròmetres. Es poden controlar individualment per obrir o tancar segons sigui necessari.

Això resol un dels majors problemes d’aconseguir espectres de l’Univers llunyà: els espectres d’objectes més propers, estrelles i galàxies menys llunyanes, per exemple, entrebanquen les més febles si no estan emmascarades.

“Només deixem oberts els que estan sobre objectes interessants, i els altres estan tots tancats. Com a tal, només la llum que prové dels objectius seleccionats entra a l’òptica de l’espectrògraf per ser analitzada”, diu Maurice.

A més de l’Univers llunyà, NIRSpec està dissenyat per mirar objectes celestes molt més a prop de casa: els exoplanetes. Les atmosferes d’aquests mons absorbeixen part de la llum infraroja de l’estrella mare que els travessa. En recollir la llum de l’estrella i dividir-la en un espectre, NIRSpec permet als astrònoms buscar les minúscules quantitats de llum que falten a longituds d’ona específiques. A continuació, poden identificar quines substàncies químiques estan presents a l’atmosfera del planeta i extreure altra informació sobre les condicions físiques.

“Ara podem veure les signatures de moltes molècules crucials a l’atmosfera d’exoplanetes que no es poden veure des de terra, o amb instrumentació espacial que existia abans de NIRSpec”, diu Giovanna.

NIRSpec ofereix als astrònoms més capacitats. El més destacat és que pot dividir objectes més grans com galàxies i nebuloses en 30 rodanxes i observar un espectre per a cada rodanxa, tot en un sol tret. Els mapes resultants de condicions físiques i química són clau per entendre el naixement i la mort de les estrelles i el funcionament de les galàxies.

Per treballar a l’infraroig proper, NIRSpec, i la majoria de la resta de Webb, han de funcionar a només 40 Kelvin (-233 °C), mantinguts freds per l’emblemàtic protector solar de Webb. Això suposa un gran repte a l’hora de fer instruments científics precisos. Els diferents materials es contrauen a diferents ritmes quan es refreden, i això produeix lleus distorsions a l’instrument que afecten la seva precisió.

“Això va ser el més difícil i per això Airbus va decidir fer aquest instrument principalment en carbur de silici. La placa base, la majoria de les estructures i els miralls estan fets de carbur de silici”, diu Ralf.

El carbur de silici és un material ceràmic que, tot i que és difícil de treballar, és extremadament estable a baixes temperatures. En fer-ne la major part de l’instrument, es podrien eliminar les distorsions tèrmiques. Però significava estar completament segur del disseny abans de començar la fabricació.

NIRSpec va començar com un bloc de carbur de silici en l’anomenat estat verd, on el material és tou i es pot treballar. Aleshores, NIRSpec es va mecanitzar en forma de la mateixa manera que un artista treballa la pedra en una escultura. Es van perforar tots els forats i canals i un cop tot estava preparat, es va col·locar en un forn per ser ‘sinteritzat’. Això endureix el material, fent-lo extremadament difícil de mecanitzar. Per tant, l’equip havia d’estar completament segur del disseny abans de començar la fabricació.

“Treballar amb carbur de silici va ser sens dubte un repte, i estic molt orgullós d’haver aconseguit construir-lo”, diu Maurice. En part com a resultat del seu èxit, treballar amb el material s’ha convertit ara en una mena d’especialitat europea.

L’èxit de NIRSpec va ser clar per a l’equip quan les primeres imatges i dades van començar a tornar a la Terra. “No sóc científic, sóc enginyer. Per tant, estic molt content de veure que tota la telemetria és verda i que NIRSpec funciona. Però compartiré que estava a Baltimore amb unes 200 persones més quan es van publicar les primeres imatges. Tots teníem llàgrimes als ulls”, diu Ralf.

I ara que les dades s’arriben contínuament, hi ha molts altres que senten el mateix.

“Estic força sorprès de la qualitat dels espectres que estem rebent. Veig que els observadors també estan molt contents amb les dades. I per a mi, per això hem creat NIRSpec. Crec que tot l’equip ho sent. Ara que NIRSpec està oferint, se sent molt bé”, diu Pierre.

Un cop finalitzades les minucioses anàlisis de dades, tindrem noves respostes a aquestes preguntes extraordinàries tan importants per entendre la nostra pròpia existència: com es van formar les primeres galàxies i estrelles al nostre Univers, i amb quina freqüència els planetes que orbiten altres estrelles ofereixen condicions que permetrien la vida com sabem que existeix.

És el que NIRSpec va ser creat per fer: obrir moltes finestres per mirar grans preguntes.

Més informació
Webb és el telescopi més gran i potent mai llançat a l’espai. En virtut d’un acord de col·laboració internacional, l’ESA va proporcionar el servei de llançament del telescopi, utilitzant el vehicle de llançament Ariane 5. Treballant amb socis, l’ESA va ser responsable del desenvolupament i la qualificació de les adaptacions d’Ariane 5 per a la missió Webb i de l’adquisició del servei de llançament per part d’Arianespace. L’ESA també va proporcionar l’espectrògraf de cavall de batalla NIRSpec i el 50% de l’instrument d’infraroig mitjà MIRI, que va ser dissenyat i construït per un consorci d’instituts europeus finançats a nivell nacional (The MIRI European Consortium) en col·laboració amb JPL i la Universitat d’Arizona. Webb és una associació internacional entre la NASA, l’ESA i l’Agència Espacial Canadenca (CSA).