John Mather de la NASA continúa redefiniendo nuestra comprensión del universo

El espacio no es sólo difícil debido a la ciencia espacial. La tarea de hacer que la misión de la NASA pase del desarrollo y la financiación a la construcción y el lanzamiento (todo antes de que utilicemos el objeto con fines científicos) podría durar décadas. Han dedicado toda su carrera a poner un solo satélite en el espacio. John Mather, un físico de la NASA ganador del Premio Nobel, ya ayudó a enviar dos.

En su nuevo libro, Dentro de la fábrica de estrellas: la construcción 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 detrás de escena del viaje del Telescopio Espacial James Webb desde su inicio hasta su órbita. Exámenes textiles de la tecnología de imágenes radical que nos permite profundizar más que nunca en el universo primitivo con perfiles de los investigadores, consultores, gerentes, ingenieros y técnicos que lo hicieron posible a través de tres décadas de esfuerzo. En el extracto de Writing de esta semana, una mirada al científico del proyecto JWST, John Mather, y su improbable viaje desde la zona rural de Nueva Jersey hasta la NASA.

Adaptado de «Dentro de la fábrica de estrellas: la construcción del telescopio espacial James Webb, el observatorio espacial más grande y poderoso de la NASACopyright © 2023 de Chris Gunn y Christopher Wanjek. Utilizado con permiso del editor, MIT Press.

John Mather, científico del proyecto

– Mano firme en control

John Mather es un hombre paciente. Fueron necesarios treinta años para recibir el Premio Nobel de Física de 2006. Ese premio, por la evidencia definitiva del Big Bang, se basó en una máquina del tamaño de un autobús llamada COBE, otra misión de la NASA que casi nunca sucedió. ¿Diseño dramático? Yo estaba allí. ¿Está enfrentando retrasos inesperados? Yo lo hice. La selección de Mather por parte de la NASA como científico del proyecto JWST fue pura intuición.

Al igual que Webb, COBE (el Explorador del Fondo Cósmico) estaba destinado 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 Época de Recombinación, cuando el universo caliente se enfría hasta un punto que permite que los protones se unan 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 penetró. Esta antigua luz, procedente del propio Big Bang, está hoy con nosotros como un remanente de radiación de microondas llamado fondo cósmico de microondas.

Alto pero nunca imponente, exigente pero nunca malo, Mather es un estudio de contrastes. Pasó su infancia a sólo una milla del sendero de los Apalaches en el condado rural de Sussex, Nueva Jersey, donde sus amigos estaban ocupados con asuntos mundanos como las tareas agrícolas. Sin embargo, Mather, cuyo padre era especialista en estadística y cría de animales, estaba más interesado en las ciencias y las matemáticas. A la edad de 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 la zona, alrededor de 1960, y mantuvo registros de la producción de leche de 10.000 vacas en tarjetas perforadas de IBM. Su madre, maestra de escuela primaria, también tenía bastante educación y fomentó el interés del joven John por la ciencia.

Al final, la oportunidad de disfrutar de un clima cálido durante todo el año llevó a Mather en 1968 a la Universidad de California, Berkeley, para realizar estudios de posgrado en física. Se habría unido a una multitud de personas fascinadas por la recién descubierta radiación cósmica de fondo de microondas, descubierta por casualidad en 1965 por los radioastrónomos Arno Penzias y Robert Wilson. Su asesor de tesis ideó un experimento con globos para medir el espectro, o color, de esta radiación y ver si realmente provenía del Big Bang. (Lo es.) Lo siguiente obvio es mapear esta luz para ver, como sugiere la teoría, si la temperatura cambia ligeramente en el cielo. Años más tarde, esto es lo que él y el equipo COBE descubrieron: anisotropía, una distribución desigual de la energía. Estas pequeñas fluctuaciones de temperatura indican fluctuaciones en la densidad de la materia, suficientes para detener la expansión, al menos localmente. A través de la influencia de la gravedad, la materia se acumulará en lagos cósmicos para formar estrellas y galaxias cientos de millones de años después. En esencia, Mather y su equipo han capturado un plano de audio del universo naciente.

Sin embargo, la misión COBE, al igual que la de Webb, ha sufrido reveses. Mather y el equipo propusieron el concepto de misión (por segunda vez) en 1976. La NASA aceptó la propuesta, pero ese año anunció 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. Correr. En desarrollo. La historia revelará la locura de tal plan. Mather lo entendió de inmediato. Esto vinculó el diseño del COBE con el compartimento de carga del transbordador no construido. Los ingenieros deberán cumplir con los requisitos exactos de masa y volumen de un barco que aún no ha volado. Aún más problemático es que COBE requiere una órbita polar, lo cual es difícil de lograr para el transbordador espacial. Luego, el equipo COBE se vio abrumado por recortes presupuestarios y compromisos en el diseño del COBE como resultado de sobrecostos para otra misión científica espacial pionera, el Satélite Astronómico Infrarrojo, o IRAS. Sin embargo, se ha seguido trabajando arduo para diseñar instrumentos lo suficientemente sensibles como para detectar cambios de temperatura que están a sólo unos pocos grados por encima del cero absoluto, alrededor de -270 grados Celsius. A partir de 1980, Mather estuvo ocupado creando COBE todo el día, todos los días. El equipo necesitaba tomar atajos y tomar decisiones arriesgadas para mantenerse dentro del presupuesto. Se informó que COBE fue lanzado en la misión del transbordador espacial STS-82-B en 1988 desde la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg. Todas las uniones están llegando.

Luego, el transbordador espacial Challenger explotó en 1986, matando a los siete miembros de la tripulación. La NASA ha suspendido los vuelos del transbordador por tiempo indefinido. COBE, ahora restringido a las especificaciones del transbordador, no pudo lanzar ningún otro sistema de cohetes. El COBE era demasiado grande para un cohete Delta en ese momento; Irónicamente, Mather tenía a Delta en mente en su primer dibujo en 1974. El equipo buscó en Europa un vehículo de lanzamiento, pero esa no era una opción para la NASA. En cambio, los gerentes del proyecto lideraron un rediseño para reducir cientos de libras, recortando la masa de lanzamiento a 5,000 libras, junto con el combustible, lo que lo llevaría dentro de los límites del delta en unas pocas libras. Ah, y McDonnell Douglas tuvo que construir el cohete Delta a partir de piezas de repuesto, después de tener que descontinuar 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… el parasol, que ahora tenía que plegarse dentro del cohete y lanzarse una vez en órbita, un nuevo enfoque. COBE obtuvo luz verde para lanzar desde la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg en California, una ubicación solicitada originalmente porque proporcionaría un acceso más fácil a una órbita polar que lanzar un transbordador desde Florida. El lanzamiento estaba previsto para noviembre de 1989. El COBE se entregó varios meses antes.

Luego, el 17 de octubre, el suelo de California tembló violentamente. Un terremoto de magnitud 6,9 sacudió el condado de Santa Cruz y causó daños generalizados a los edificios. Vandenberg, 200 millas al sur, sintió el temblor. Afortunadamente, el COBE solo se instaló de forma segura porque dos de sus ingenieros supervisores lo aseguraron ese día antes de ir a la boda. La máquina no sufrió daños y fue lanzada con éxito el 18 de noviembre. Más dramatismo se produjo con los fuertes vientos el día del lanzamiento. Durante las primeras semanas de funcionamiento surgieron innumerables preocupaciones: el criostato se enfriaba demasiado rápido; La luz del sol reflejada en el hielo antártico ha causado estragos en el sistema energético. Los electrones y protones atrapados en los cinturones de Van Allen desactivaron la electrónica; Y así sucesivamente y así sucesivamente.

Todos los retrasos, todo el drama, se desvanecieron en un recuerdo lejano para Mather cuando llegaron los resultados del ensayo COBE. La recopilación de datos puede llevar cuatro años. Pero los resultados fueron sorprendentes. El primer resultado se produjo semanas después del lanzamiento, cuando Mather mostró el espectro a la Sociedad Astronómica Estadounidense ante una gran ovación. El Big Bang era seguro como teoría. Dos años más tarde, en una reunión de la Sociedad Estadounidense de Física en abril de 1992, el equipo mostró su primer mapa. Los datos coinciden exactamente 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 describió como «el descubrimiento más importante del siglo, si no de todos los tiempos».

Mather habló con humildad sobre este descubrimiento en su discurso de aceptación del Premio Nobel en 2006, dando todo el crédito a su brillante equipo y colega George Smoot, con quien compartió el premio ese año. Pero no restó importancia a la conquista. Señaló que estaba emocionado por el “reconocimiento más amplio de que nuestro trabajo era tan importante como la gente en el mundo de la astronomía profesional sabe desde hace mucho tiempo”.

Mather mantiene este realismo hoy. Aunque le preocupaban los retrasos, las amenazas de cancelación, los sobrecostos y la hostilidad no tan sutil de la comunidad científica en general por “el telescopio que se comió a la astronomía”, no dejó que eso lo consumiera a él ni a su equipo. «No tiene sentido tratar de controlar los sentimientos de otras personas», afirmó. «Muchos comentarios de la comunidad son: ‘Bueno, si tuviera cinco centavos, los gastaría de otra manera'». Pero no es su níquel. La razón por la que tenemos cinco centavos es porque la NASA enfrenta desafíos increíblemente grandes. ha coincidido: «Nos enfrentamos a grandes desafíos. Y los grandes desafíos no son gratuitos. Mi sensación es que la única razón por la que existe un programa de astronomía en la NASA para que cualquiera pueda disfrutarlo o quejarse de él es porque realizamos proyectos sorprendentemente difíciles. borde de lo que es posible.»

Mather añadió que Webb no es ni mucho menos mejor que el Telescopio Espacial Hubble; Es cien veces más fuerte. Sin embargo, su mayor preocupación al diseñar la misión no fueron los instrumentos astronómicos avanzados, sino el enorme escudo solar que tuvo que abrirse. La redundancia está integrada en todas las herramientas y en todos los mecanismos de implementación; Hay dos o más formas de hacerlo funcionar si el método básico falla. Pero este no es el único problema del protector solar. O funciona o no.

Ahora Mather puede centrarse plenamente en la ciencia que desea adquirir. Espere sorpresas. Se sorprendería si no hubiera sorpresas. «Casi todo en astronomía es una sorpresa», afirmó. «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, una fuerza misteriosa que parece estar acelerando la expansión del universo, o una fuerza igualmente misteriosa. Materia oscura. Tampoco puede esperar a que Webb apunte sus cámaras a Alpha Centauri, el sistema estelar más cercano a la Tierra. ¿Y si existiera un planeta apto para la vida? Se supone que Webb tiene la sensibilidad necesaria para detectar qué moléculas, si las hay, están presentes en su atmósfera.

“Eso sería genial”, dijo Mather. ¿Indicios de vida del sistema estelar más cercano? Sí, realmente genial.