El espacio no es difícil sólo por la ciencia espacial. La tarea de llevar una misión de la NASA desde el desarrollo y la financiación hasta la construcción y el lanzamiento (todo antes incluso de que la utilicemos para la ciencia) puede durar décadas. Se han dedicado carreras enteras a poner un solo satélite en el espacio. El físico ganador del Nobel de la NASA, John Mather, eso sí, ya ha ayudado a enviar dos.
En su nuevo libro, Dentro de la fábrica de estrellas: la creación del telescopio espacial James Webb, el observatorio espacial más grande y poderoso de la NASA, El autor Christopher Wanjek y el fotógrafo Chris Gunn llevan a los lectores a un recorrido entre bastidores por el viaje del Telescopio Espacial James Webb desde su inicio hasta su órbita. Tejiendo exámenes de la tecnología de imágenes radical que nos permite mirar más profundamente que nunca en el universo temprano con perfiles de investigadores, asesores, gerentes, ingenieros y técnicos que lo hicieron posible a través de tres décadas de esfuerzo. En el extracto de Hitting the Books de esta semana, una mirada al científico del proyecto JWST, John Mather, y su propio viaje improbable desde la zona rural de Nueva Jersey hasta la NASA.
Extraído de “Dentro de la fábrica de estrellas: la creación del telescopio espacial James Webb, el observatorio espacial más grande y poderoso de la NASA”Copyright © 2023 de Chris Gunn y Christopher Wanjek. Utilizado con permiso del editor, MIT Press.
John Mather, científico del proyecto
— La mano firme en control
John Mather es un hombre paciente. Su Premio Nobel de Física de 2006 tardó treinta años en prepararse. Ese premio, por la evidencia inquebrantable del Big Bang, se basó en una máquina del tamaño de un autobús llamada COBE, otra misión más de la NASA que casi no se realizó. ¿Drama de diseño? Estado allí. ¿Afrontar retrasos imprevistos? Hecho eso. Que la NASA eligiera a Mather como científico del proyecto JWST fue pura presciencia.
Al igual que Webb, COBE (el Explorador del Fondo Cósmico) iba a ser una máquina del tiempo para revelar una instantánea del universo primitivo. La era objetivo fue apenas 370.000 años después del Big Bang, cuando el universo todavía era una niebla de partículas elementales sin una estructura discernible. Esto se llama la época de la recombinación, cuando el universo caliente se enfrió hasta un punto que permitió que los protones se unieran a los electrones para formar los primeros átomos, principalmente hidrógeno con una pizca de helio y litio. A medida que se formaron los átomos, la niebla se disipó y el universo se volvió claro. La luz se abrió paso. Esa antigua luz, procedente del propio Big Bang, está hoy con nosotros como radiación de microondas remanente llamada fondo cósmico de microondas.
Alto pero nunca imponente, exigente pero nunca malo, Mather es un estudio de contrastes. Su infancia transcurrió a sólo una milla del sendero de los Apalaches en el condado rural de Sussex, Nueva Jersey, donde sus amigos estaban consumidos por asuntos terrenales como las tareas agrícolas. Sin embargo, Mather, cuyo padre era especialista en cría de animales y estadística, estaba más intrigado por la ciencia y las matemáticas. A los seis años comprendió el concepto de infinito cuando llenó una página de su cuaderno con un número muy grande y se dio cuenta de que podía continuar para siempre. Se cargó de libros de una biblioteca móvil que visitaba las granjas cada dos semanas. Su padre trabajaba en la Estación Experimental Agrícola de la Universidad de Rutgers y tenía un laboratorio en la granja con equipos de radioisótopos para estudiar el metabolismo y tanques de nitrógeno líquido con semen de toro congelado. Su padre también fue uno de los primeros usuarios de computadoras en el área, alrededor de 1960, manteniendo registros de producción de leche de 10,000 vacas en tarjetas IBM perforadas. Su madre, maestra de escuela primaria, también era muy erudita y fomentó el interés del joven John por la ciencia.
La oportunidad de disfrutar de un clima cálido durante todo el año finalmente llevó a Mather en 1968 a la Universidad de California, Berkeley, para realizar estudios de posgrado en física. Se uniría a una multitud intrigada por el fondo cósmico de microondas recién detectado, descubierto por accidente en 1965 por los radioastrónomos Arno Penzias y Robert Wilson. Su director de tesis ideó un experimento con globos para medir el espectro, o color, de esta radiación y ver si realmente procedía del Big Bang. (Lo hace.) Lo siguiente obvio fue hacer un mapa de esta luz para ver, como sugería la teoría, si la temperatura variaba ligeramente en el cielo. Y años más tarde, eso es exactamente lo que él y su equipo COBE encontraron: anisotropía, una distribución desigual de la energía. Estas fluctuaciones de temperatura de microgrados implican fluctuaciones de densidad de la materia, suficientes para detener la expansión, al menos localmente. A través de la influencia de la gravedad, la materia se acumularía en lagos cósmicos para formar estrellas y galaxias cientos de millones de años después. En esencia, Mather y su equipo capturaron una ecografía del universo infantil.
Sin embargo, la misión COBE, al igual que Webb, estuvo plagada de reveses. Mather y el equipo propusieron el concepto de misión (por segunda vez) en 1976. La NASA aceptó la propuesta pero, ese año, declaró que este satélite y la mayoría de los demás a partir de entonces serían puestos en órbita por el transbordador espacial, que todavía estaba en órbita. en desarrollo. La historia revelaría la insensatez de tal plan. Mather lo entendió de inmediato. Esto unió el diseño del COBE al compartimento de carga del Shuttle no construido. Los ingenieros tendrían que cumplir con los requisitos precisos de masa y volumen de un buque que aún no ha volado. Lo que es más problemático, el COBE requería una órbita polar, difícil de lograr para el transbordador espacial. El equipo COBE luego tuvo que afrontar recortes presupuestarios y compromisos en el diseño de COBE como resultado de los sobrecostos de otra misión científica espacial pionera, el Satélite Astronómico Infrarrojo, o IRAS. Aún así, continuó el tedioso trabajo de diseñar instrumentos lo suficientemente sensibles como para detectar variaciones de temperatura de apenas unos pocos grados por encima del cero absoluto, alrededor de -270°C. A partir de 1980, Mather estuvo consumido por la creación de COBE todo el día, todos los días. El equipo necesitaba tomar atajos y tomar decisiones arriesgadas para mantenerse dentro del presupuesto. Llegó la noticia de que COBE se lanzaría en la misión del transbordador espacial STS-82-B en 1988 desde la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg. Todos los sistemas funcionan.
Luego, el transbordador espacial Challenger explotó en 1986, matando a sus siete tripulantes. La NASA suspendió los vuelos del Shuttle por tiempo indefinido. COBE, ahora sujeto a las especificaciones del Shuttle, no podía lanzarse con cualquier otro sistema de cohetes. El COBE era demasiado grande para un cohete Delta en ese momento; Irónicamente, Mather tenía en mente el Delta en su primer boceto en 1974. El equipo buscó en Europa un vehículo de lanzamiento, pero esta no era una opción para la NASA. En cambio, los gerentes del proyecto lideraron un rediseño para reducir cientos de libras, para reducir a una masa de lanzamiento de 5,000 libras, con combustible, lo que lo dejaría dentro de los límites de un Delta por unas pocas libras. Ah, y McDonnell Douglas tuvo que construir un cohete Delta a partir de piezas de repuesto, ya que se vio obligado a suspender la serie en favor del transbordador espacial.
El equipo trabajó día y noche durante los dos años siguientes. El desafío de diseño final fue… espérenlo… un parasol que ahora debía plegarse en el cohete y soltarse por resorte una vez en órbita, un enfoque novedoso. COBE obtuvo luz verde para lanzar desde la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg en California, el sitio originalmente deseado porque proporcionaría un acceso más fácil a una órbita polar en comparación con el lanzamiento de un transbordador desde Florida. El lanzamiento estaba previsto para noviembre de 1989. COBE se entregó varios meses antes.
Luego, el 17 de octubre, el suelo de California tembló con fuerza. Un terremoto de magnitud 6,9 sacudió el condado de Santa Cruz y causó daños generalizados a las estructuras. Vandenberg, a unas 200 millas al sur, sintió la sacudida. Quiso la suerte que COBE estuviera bien sujeto solo porque dos de los ingenieros que lo cuidaban lo aseguraron ese día antes de ir a casarse. El instrumento no sufrió daños y se lanzó con éxito el 18 de noviembre. Los fuertes vientos del día del lanzamiento provocaron más dramatismo. Durante las primeras semanas de funcionamiento surgieron innumerables preocupaciones: el criostato se enfriaba demasiado rápido; la luz del sol reflejada en el hielo antártico causó estragos en el sistema de energía; los electrones y protones atrapados en los cinturones de Van Allen alteraron el funcionamiento de la electrónica; etcétera.
Todos los retrasos, todo el drama, se desvanecieron en un recuerdo lejano para Mather cuando llegaron los resultados del experimento COBE. Se necesitarían cuatro años para recopilar los datos. Pero los resultados fueron alucinantes. El primer resultado llegó semanas después del lanzamiento, cuando Mather mostró el espectro a la Sociedad Astronómica Estadounidense y recibió una gran ovación. El Big Bang era seguro como teoría. Dos años más tarde, en una reunión de abril de 1992 de la Sociedad Estadounidense de Física, el equipo mostró su primer mapa. Los datos coincidían perfectamente con la teoría. Este fue el resplandor del Big Bang que reveló las semillas que se convertirían en estrellas y galaxias. El físico Stephen Hawking lo llamó “el descubrimiento más importante del siglo, si no de todos los tiempos”.
Mather habló humildemente del descubrimiento en su discurso de aceptación del Nobel en 2006, dando pleno crédito a su notable equipo y a su colega George Smoot, quien compartió el premio con él ese año. Pero no restó importancia al logro. Señaló que estaba encantado con el ahora más amplio “reconocimiento de que nuestro trabajo era tan importante como lo han sabido durante tanto tiempo las personas en el mundo de la astronomía profesional”.
Mather mantiene ese realismo hoy. Si bien le preocupaban los retrasos, las amenazas de cancelación, los sobrecostos y la animosidad no demasiado sutil en la comunidad científica en general por el “telescopio que se comió a la astronomía”, no dejó que esto lo consumiera a él o a su equipo. «No tiene sentido tratar de controlar los sentimientos de otras personas», afirmó. “Gran parte de la opinión de la comunidad es: ‘bueno, si fuera mi níquel, lo gastaría de otra manera’. Pero no es su níquel; y la razón por la que tenemos el níquel en primer lugar es porque la NASA asume desafíos increíblemente grandes. El Congreso aprobó que asumiéramos grandes desafíos. Y los grandes desafíos no son gratis. Mi sensación es que la única razón por la que tenemos un programa de astronomía en la NASA para que cualquiera lo disfrute (o del que se queje) es que realizamos proyectos sorprendentemente difíciles. Estamos llegando al límite de lo que es posible”.
Webb no es sólo un poco mejor que el Telescopio Espacial Hubble, añadió Mather; es cien veces más poderoso. Sin embargo, su mayor preocupación a la hora del diseño de la misión no eran los instrumentos astronómicos avanzados sino el enorme parasol, que debía desplegarse. Todos los instrumentos y todos los mecanismos de despliegue tenían redundancia diseñada; Hay dos o más formas de hacer que funcionen si el método principal falla. Pero ese no es el único problema con el parasol. Funcionaría o no funcionaría.
Ahora Mather puede centrarse completamente en la ciencia que se tiene. Espera sorpresas; Se sorprendería si no hubiera sorpresas. «Casi todo en astronomía resulta una sorpresa», dijo. «Cuando tengas equipo nuevo, te llevarás una sorpresa». Su corazonada es que Webb podría revelar algo extraño sobre el universo primitivo, tal vez una abundancia de objetos de vida corta nunca antes vistos que dicen algo sobre la energía oscura, la fuerza misteriosa que parece estar acelerando la expansión del universo, o la igualmente misteriosa materia oscura. Tampoco puede esperar hasta que Webb apunte sus cámaras a Alpha Centauri, el sistema estelar más cercano a la Tierra. ¿Qué pasaría si allí hubiera un planeta adecuado para la vida? Webb debería tener la sensibilidad para detectar moléculas en su atmósfera, si están presentes.
«Eso sería genial», dijo Mather. ¿Indicios de vida del sistema estelar más cercano? Sí, genial, de hecho.