El universo con nuevos ojos

Seeing the Universe through New Eyes. Visible and Infrared Astronomical Observation.

The next decade will witness the construction of a new generation of much larger ground and space telescopes: the so-called Extremely Large Telescopes with diameters exceeding 30 m and the 6.5 m James Webb Space Telescope. These will constitute the main devices for optical and infrared astronomy in the near future. These telescopes will feed the most sophisticated set of instruments astronomers have ever built, incorporating state-of-the-art optical components and detectors. These awe-inspiring telescopes and instruments are technically challenging but necessary to satisfy our quest for greater knowledge of the Universe.

Se ha avanzado mucho desde que Galileo utilizara un telescopio para realizar observaciones astronómicas allá por el año 1609. Si bien sus principios básicos no han cambiado en lo sustancial, los grandes telescopios ópticos de hoy en día, a diferencia de los del siglo xvii, son portentosas máquinas de extraordinaria precisión mecánica y gran calidad de imagen. Los mayores telescopios ópticos tienen diámetros que superan los 10 metros y pueden detectar objetos cien millones de veces más débiles que el primer telescopio de Galileo. Estos telescopios apuntan a cualquier fuente astronómica con un error de posicionamiento inferior a unos pocos segundos de arco y son capaces de realizar el seguimiento de la fuente con una precisión de decenas de milisegundos de arco. Utilizando técnicas de óptica adaptativa que corrigen el emborronamiento que introducen las fluctuaciones atmosféricas en la propagación de la luz, se pueden obtener imágenes que en el infrarrojo cercano ya logran el límite de difracción (1,22 λ/D donde λ es la longitud de onda y D el diámetro del telescopio). En el caso de los telescopios de mayor diámetro, los Keck de 10 metros instalados en Hawai y el Gran Telescopio de Canarias (GTC) de 10,4 metros, en La Palma, estas imágenes infrarrojas pueden alcanzar una resolución espacial superior a 40 milisegundos de arco. Dotados con una variedad de espectrógrafos ópticos y de infrarrojos con poder resolutivo desde 100 hasta más de 100.000¹, estos telescopios facilitan información muy valiosa sobre los procesos físicos que tienen lugar en una enorme variedad de fuentes cósmicas y son, en definitiva, máquinas muy poderosas de hacer ciencia.

«Los mayores telescopios ópticos tienen diámetros que superan los 10 metros y pueden detectar objetos cien millones de veces más débiles que el primer telescopio de Galileo»

Desde hace unas cuantas décadas también disponemos de telescopios en el espacio que han extendido el tradicional rango de observación en el visible a otras regiones del espectro electromagnético que no son accesibles desde la Tierra. El más destacado de estos telescopios es el Hubble, un telescopio de 2,4 metros de diámetro construido por la NASA en el que participa la Agencia Espacial Europea (ESA) con una contribución del 15%. Este telescopio que se encuentra en una órbita relativamente baja (593 km sobre el nivel del mar), accesible para el transbordador espacial, ha realizado observaciones en el rango ultravioleta, visible e infrarrojo cercano que constituyen un referente de la astronomía moderna. Las imágenes más profundas del universo se han obtenido con el telescopio Hubble en el rango visible y en ellas se detectan objetos con magnitud superior a 27. Los mejores ojos humanos sólo pueden detectar a simple vista estrellas más brillantes que las de magnitud 6. Más recientemente se han lanzado otros telesco­pios espaciales y puesto en órbitas mucho más distantes, concretamente a un millón y medio de kilómetros, en el segundo punto de Lagrange. Es el caso del telescopio Herschel de la ESA, dedicado al infrarrojo lejano y submilimétrico, que lleva meses operando en un ambiente de muy baja temperatura y extraordinaria estabilidad térmica que permite observaciones de gran sensibilidad a estas longitudes de onda. Los desafíos tecnológicos asociados con estas misiones espaciales, de por sí descomunales, posiblemente serán superados en dificultad por los que tiene que afrontar el futuro telescopio espacial James Webb de 6,5 metros de diámetro. Este nuevo telescopio, de carácter segmentado y desplegable, será lanzado en el año 2014 si todo marcha bien y su órbita será similar a la del satélite Herschel. Contará con instrumentación avanzada en el infrarrojo cercano y medio, pero también con capacidad de detección en el visible. Como ilustración de la envergadura del proyecto basta mencionar que el escudo de protección para la radiación solar de este telescopio tiene un área equivalente a la de una pista de tenis.

Las limitaciones de presupuesto dificultan la construcción de telescopios espaciales de mucho mayor tamaño. Esto supone una menor capacidad resolutiva en las imágenes que se obtienen en el espacio frente a la de los grandes telescopios terrestres cuando están equipados con sistemas de óptica adaptativa, pero los telescopios espaciales pueden alcanzar una mayor sensibilidad en ciertos rangos del espectro gracias a un ambiente muy estable de baja temperatura y a la ausencia de atmósfera. En el ultravioleta, en parte del rango visible, y en el infrarrojo medio y lejano los futuros telescopios espaciales poseen una sensibilidad difícilmente superable desde tierra.

En 2014 se prevé el lanzamiento del telescopio espacial James Webb, cuya simulación podemos ver en la imagen. Con un diámetro de 6,5 metros, el telescopio tendrá una órbita parecida a la del Herschel. Aunque la resolución de las imágenes es menor que la de los grandes telescopios terrestres, los telescopios espaciales pueden obtener mayor sensibilidad a ciertos rangos del espectro gracias a un ambiente de muy baja temperatura y a la ausencia de atmósfera. / NASA

Telescopios gigantes

En Estados Unidos y en Europa se están diseñando actualmente telescopios gigantes segmentados de 30 y 42 metros de diámetro que se configuran en base a cientos de espejos sobre los que se actúa con sistemas mecánicos de muy alta precisión para que en todo momento definan una superficie óptica perfecta. Este tipo de tecnologías, que fueron pioneras en los telescopios Keck y luego desarrolladas por el GTC, son reconocidas ahora como la clave para los futuros telescopios gigantes y supergigantes. No hay a priori una limitación que impida extender esta tecnología a telescopios de mayor diámetro e incluso el organismo internacional ESO (Observatorio Europeo Austral) ha desarrollado un concepto de telescopio de 100 metros que probablemente tendrá que esperar a que los telescopios de 30-40 metros se hagan realidad para poder ser diseñado en detalle. Estos telescopios de más de 30 metros son conocidos por sus siglas en inglés ELT (Extremely Large Telescopes) y suponen para cada uno inversiones cercanas a los mil millones de euros, suma que no está lejos de los costos de las misiones centrales de ciencia de la ESA.

Concretamente el telescopio europeo de 42 metros, conocido como E-ELT, estará equipado con un sistema de óptica adaptativa que permitirá obtener imágenes de una resolución mejor que 10 milisegundos de arco en el infrarrojo cercano y, caso de ser aprobada su construcción el año que viene, podría entrar en funcionamiento a finales de la próxima década. España es un activo miembro del consorcio que impulsa el desarrollo de este telescopio gracias en gran medida a nuestra experiencia con el GTC, que es muy singular en Europa. El observatorio del Roque de los Muchachos compite como una de las posibles ubicaciones para este telescopio. Para los ELT es fundamental situarse en un excelente observatorio en términos de estabilidad atmosférica (el seeing de los astrónomos) donde además los sistemas de estrellas láser artificiales funcionen de manera eficaz. Estos sistemas láser permiten crear estrellas de referencia por excitación de los átomos de sodio en altas capas de la atmósfera terrestre. Con esas estrellas de referencia es posible corregir en tiempo real la distorsión introducida en la propagación del frente de onda por las fluctuaciones atmosféricas. Se resolvería así el problema de la falta de estrellas naturales de suficiente brillo, que es un factor limitante en el empleo de la corrección de óptica adaptativa en cualquier dirección en que apunte el telescopio.

La instrumentación que se planifica para los telescopios segmentados gigantes es la más compleja que se haya construido en telescopios terrestres y contempla desde sistemas de imagen con muy alto contraste capaces de detectar exoplanetas a separaciones inferiores a un segundo de arco de su estrella (el brillo de los exoplanetas de tipo terrestre puede ser mil millones de veces más débil que el de su estrella), a espectrógrafos ultraprecisos y estables capaces de medir en directo la velocidad de expansión del universo, para lo cual se requieren medidas con una precisión cercana a 1 cm/s estables en escalas de años. Esta misma precisión permitiría detectar planetas como la Tierra por su efecto gravitatorio en estrellas similares al Sol. Estos y otros instrumentos propuestos para los futuros telescopios gigantes se basan en la gran experiencia adquirida en el desarrollo de instrumentación para telescopios en tierra y en espacio.

«En los Estados Unidos y en Europa
se diseñan actualmente telescopios gigantes segmentados de 42 metros de diámetro que se configuran basándose en centenares de espejos»

En el mundo hay unos diez telescopios de clase 8-10 metros en funcionamiento, y al menos treinta de clase 2-4 metros. Cada uno está equipado con dos o tres instrumentos que permiten obtener imagen o espectroscopia. Esto supone alrededor de unos 100 instrumentos astronómicos distribuidos y operativos por todo el mundo que son el principal caballo de batalla de los astrónomos que trabajan en el visible y en el infrarrojo. Hay una enorme experiencia en los centros de investigación astronómica y también en empresas privadas en el desarrollo de componentes avanzados que optimizan la transmisión, reflexión y dispersión de luz visible o infrarroja para estos instrumentos. Con frecuencia, estos componentes (lentes, prismas, redes de dispersión) y en general la mayor parte de los detectores que finalmente registran la llegada de los fotones tienen que operar dentro de criostatos con alto vacío y ser enfriados con nitrógeno líquido. Especialmente los detectores precisan trabajar a bajas temperaturas para mantener el ruido de lectura y la corriente de oscuridad dentro de valores aceptables. Criogenia y astronomía están, por tanto, cada vez más unidas.

El telescopio espacial infrarrojo de la ESA, Herschel, fue lanzado el pasado 14 de mayo de 2009. Se trata del mayor y más potente telescopio infrarrojo lanzado hasta la fecha y permitirá estudiar el origen y la evolución de las estrellas y galaxias./ ESA – D. Ducros, 2009

Detectores

Cabe remarcar aquí el enorme progreso que se ha realizado en la tecnología de CCD (detector de dispositivos de carga acoplada) que en los años ochenta comenzaron a incorporarse en la instrumentación astronómica con formatos relativamente pequeños. Hoy día éstos son los detectores (E2V, Marconi, Texas Instruments) más frecuentemente utilizados en astronomía y presentan muy elevadas eficiencias cuánticas (> 90%) en todo el dominio visible ofreciendo formatos de tamaño considerable que superan los 4.000 x 4.000 píxels. Es común encontrar instrumentos cuyo sistema de detección es un mosaico construido con varios detectores CCD. Un nuevo tipo de detector óptico llamado Low Light Level CCD (o L3CCD) presenta muy bajos ruidos de lectura (<1 e-) a la vez que una rápida velocidad que permite transferir la información de un detector de 512 x 512 píxeles en menos de 30 milisegundos. Este tipo de detectores son utilizados en los sistemas de óptica adaptativa por su rápida respuesta y por tanto por su capacidad de medida rápida de las propiedades del frente de onda. Pero también se empiezan a utilizar en cámaras de imagen ultrarrápidas que permiten medir el impacto de las distorsiones atmosféricas en cada imagen individual y realizar la selección de imágenes que no han sido distorsionadas de manera significativa (lucky imaging), es decir, aquellas que verifican una excelente calidad. Con exposiciones de 30 milisegundos hemos comprobado que se consiguen imágenes en el visible con una resolución cercana al límite de difracción de telescopios de clase 2-4 m. Actualmente, nuestro grupo en el Instituto de Astrofísica de Canarias investiga el potencial de estos detectores para obtener imágenes de muy alta resolución en combinación con sistemas de óptica adaptativa en telescopios de 4 m. Los primeros resultados muestran imágenes de resolución mejor que 90 milisegundos de arco a 850 nm.

Imagen del sistema múltiple Gliese 569 obtenida en junio de 2009 con FastCam en combinación con el sistema de óptica adaptativa NAOMI del telescopio de 4,2 metros William Herschel en el observatorio del Roque de los Muchachos. La imagen resulta de la combinación de miles de exposiciones tomadas con tiempo de exposición de 30 milisegundos utilizando un filtro de banda ancha centrado a 850 nm. El sistema doble débil está ligado gravitatoriamente a la estrella brillante. Está formado por dos enanas marrones (objetos del tamaño de Júpiter pero más densos) y se encuentra a unos 5 segundos de arco de la estrella brillante, lo que supone una distancia física un poco mayor a la existente entre el Sol y Plutón. En esta imagen se resuelven las dos enanas marrones con una separación angular de 90 milisegundos de arco que corresponde a una separación física entre ellas similar a la que hay entre el Sol y la Tierra. / Equip de FastCam (IAC-UPCT)

Con respecto a los detectores de infrarrojos el progreso ha sido también extraordinario, y en la última década cada vez más instrumentos han incorporado detectores de formato 2.000 x 2.000 píxeles de alta eficiencia cuántica entre 1 y 2 micrones que han supuesto una auténtica revolución por su potencial científico. En este tipo de detectores hay todavía margen para mejoras significativas especialmente en los ruidos de lectura. La exploración 2MASS de ambos hemisferios en las bandas infrarrojas J, H y Ks supuso un paso extraordinario en nuestra comprensión del cielo infrarrojo, extendido de manera sensacional por el satélite Spitzer y esperamos que en un futuro próximo también por el telescopio de 4 m VISTA que ESO dedicará exclusivamente a diversas exploraciones del cielo del Hemisferio Sur. Igualmente los espectrógrafos de infrarrojos son hoy en día instrumentos cotidianos en los telescopios más avanzados. En España se ha construido íntegramente uno de estos instrumentos infrarrojos criogénicos, LIRIS, que lleva en funcionamiento más de cinco años en el telescopio William Herschel de 4,2 m en La Palma con notable éxito.

El futuro seguramente nos pro­­porcionará mejores detecto­res de infrarrojos y algunas mejoras en los detectores ópticos, pero cada vez hay menos margen porque nos acercamos a las máximas eficiencias cuánticas posibles. No es previsible que las mejoras en sensibilidad proporcionadas en las últimas décadas por los avances en tecnología de detección se repitan de nuevo. Hay sin embargo espacio para mejorar en la calidad de los componentes ópticos, por ejemplo en las eficiencias de transmisión de las redes empleadas para dispersar la luz y en algunos otros componentes, pero parece claro que el camino para conseguir incrementar la sensibilidad de nuestras observaciones en el visible e infrarrojo cercano pasa principalmente por la construcción de telescopios de mayor superficie colectora. La nueva generación de telescopios de 30-40 metros presenta un desafío tecnológico de primera magnitud, pero por difícil que resulte es imprescindible abordarlo si queremos dar respuesta a muchos de los problemas astronómicos que están abiertos.