El lunes 24 de enero, los ingenieros planean instruir al telescopio espacial James Webb de la NASA para completar una última corrección que lo colocará en su órbita deseada, a casi 1,5 millones de kilómetros de la Tierra en lo que se llama el segundo punto de Lagrange Sol-Tierra, o “L2” para abreviar.
El telescopio espacial James Webb es el mayor, más potente y más complejo telescopio de ciencia espacial jamás construido. James Webb resolverá los misterios de nuestro sistema solar, mirará más allá, a mundos lejanos alrededor de otras estrellas, e investigará las misteriosas estructuras y orígenes del universo.
El James Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.
Puntos de equilibrio gravitatorio
Matemáticamente, los puntos de Lagrange son soluciones a lo que se llama el “problema restringido de los tres cuerpos”. Dos objetos masivos y gravitatorios cualesquiera en el espacio generan cinco lugares específicos (puntos de Lagrange) en los que sus fuerzas gravitatorias y la fuerza centrífuga del movimiento de un tercer cuerpo pequeño, como una nave espacial, están en equilibrio.
Los puntos de Lagrange se denominan de L1 a L5 y van precedidos de los nombres de los dos cuerpos gravitatorios que los generan (el grande primero).
Aunque todos los puntos de Lagrange son puntos de equilibrio gravitatorio, no todos son completamente estables. L1, L2 y L3 son lugares “metaestables” con gradientes gravitatorios en forma de silla de montar, como un punto en medio de una cresta entre dos picos ligeramente más altos en el que es el punto bajo y estable entre los dos picos, pero sigue siendo un punto alto e inestable en relación con los valles a ambos lados de la cresta.
L4 y L5 son estables en el sentido de que cada lugar es como una depresión o cuenco poco profundo en la cima de una larga y alta cresta o colina.
Figura 1. Órbita L2 del James Webb.
¿Por qué enviar a James Webb a la órbita Sol-Tierra L2?
Porque es una ubicación ideal para un observatorio de infrarrojos. En la órbita Sol-Tierra L2, el Sol y la Tierra (y también la Luna) están siempre en un mismo lado del espacio, lo que permite a Webb mantener la óptica de su telescopio y sus instrumentos en perpetua sombra.
Esto permite que se enfríen para obtener sensibilidad en el infrarrojo y, sin embargo, acceder a casi la mitad del cielo en cualquier momento para realizar observaciones. Para ver todos y cada uno de los puntos del cielo a lo largo del tiempo, sólo hay que esperar unos meses para viajar más lejos alrededor del Sol y revelar más parte del cielo que antes estaba “detrás” del Sol.
Además, en L2, la Tierra está lo suficientemente lejos como para que el calor a temperatura ambiente que irradia no caliente a James Webb.
Como L2 es un lugar de equilibrio gravitatorio, es fácil para Webb mantener una órbita allí. Hay que tener en cuenta que es más simple, más fácil y más eficiente orbitar alrededor de L2 que permanecer precisamente en L2. Además, al orbitar en lugar de estar exactamente en L2, Webb nunca tendrá el Sol eclipsado por la Tierra, lo que es necesario para la estabilidad térmica de Webb y para la generación de energía.
De hecho, la órbita de Webb alrededor de L2 es más grande que la órbita de la Luna alrededor de la Tierra. L2 también es conveniente para mantener siempre el contacto con el Centro de Operaciones de la Misión en la Tierra a través de la Red del Espacio Profundo. Otros observatorios espaciales, como WMAP, Herschel y Planck, orbitan alrededor de L2 por las mismas razones.
En general, llevar una nave espacial al Sol-Tierra L2 es bastante sencillo, pero la arquitectura de Webb ha añadido una arista. Karen Richon, ingeniera jefe de dinámica de vuelo de Webb, describe cómo llevar a Webb a L2 y mantenerlo allí:
“Piensa en lanzar una pelota al aire, tan fuerte como puedas; empieza muy rápido, pero se ralentiza a medida que la gravedad tira de ella hacia la Tierra, deteniéndose finalmente en su punto máximo y volviendo al suelo. Al igual que el brazo le da a la pelota energía para subir a unos metros de la superficie de la Tierra, el cohete Ariane 5 le dio a Webb energía para recorrer la gran distancia de 1,1 millones de kilómetros, pero no la suficiente para escapar de la gravedad terrestre”.
“Al igual que la pelota, Webb se está ralentizando y, si se lo permitimos, acabaría deteniéndose y cayendo de nuevo hacia la Tierra. A diferencia de la pelota, Webb no volvería a la superficie de la Tierra, sino que estaría en una órbita extremadamente elíptica, con una altitud de perigeo de 300 kilómetros y una altitud de apogeo de 1.300.000 kilómetros. Utilizando el empuje cada tres semanas más o menos de pequeños motores de cohete a bordo de Webb lo mantendrá orbitando L2, haciendo un bucle alrededor de ella en una órbita de halo una vez cada seis meses”.
“Entonces, ¿por qué el Ariane no dio más energía a Webb y por qué éste necesitó una corrección de rumbo? Si el Ariane hubiera dado a Webb incluso un poco más de energía de la necesaria para llevarlo a L2, iría demasiado rápido cuando llegara allí y sobrepasaría su órbita científica deseada. El Webb tendría que realizar una importante maniobra de frenado impulsándose hacia el Sol para reducir la velocidad”.
“Esta maniobra de frenado no sólo costaría mucho propulsor, sino que además sería imposible, ya que el Webb tendría que girar 180 grados para impulsarse hacia el Sol, lo que expondría la óptica y los instrumentos del telescopio directamente al Sol, sobrecalentando sus estructuras y fundiendo literalmente el pegamento que los mantiene unidos. El montaje de propulsores en el telescopio como forma de dirigir el empuje de frenado era inviable por una serie de razones y nunca fue una opción de diseño”.
“Por lo tanto, Webb solicitó al cohete Ariane la energía justa para asegurar que nunca tendríamos que hacer un retroquemado, pero siempre requeriría un quemado del observatorio para compensar con precisión la diferencia y colocarlo en la órbita deseada. El Ariane 5 apuntó a Webb con tanta precisión que nuestro primer y más crítico quemado fue más pequeño de lo que tuvimos que planificar y diseñar, ¡dejando más combustible para una misión prolongada!”
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