Un universo de instrumentos para la observación astronómica

Durante los últimos cien años, el uso del telescopio óptico como herramienta fundamental para la exploración del universo se ha visto complementado por una batería de instrumentos que han abierto nuevas vías de exploración astronómica. Desde el punto de vista cualitativo, podemos agrupar estas nuevas herramientas en dos grandes frentes: por una parte, la apertura de todo el espectro electromagnético (y no sólo la luz visible) para la observación astronómica y, por la otra, el uso del espacio como ubicación de nuestros instrumentos de exploración remota o in situ de los cuerpos astronómicos. Naturalmente, el dominio de un montón de tecnologías ha sido la clave para estos progresos; a pesar de todo, han sido a menudo las necesidades científicas las que han promovido también los retos tecnológicos. Ciencia y tecnología han ido de la mano en esta fascinante excursión.

Todo empezó en el primer cuarto del siglo xx y, como pasa a menudo, por casualidad. Investigando el origen del ruido en las transmisiones telefónicas transoceánicas con una antena unidireccional, Karl Jansky concluyó que se debía al paso de nuestra galaxia por el cielo. Con eso se iniciaba la radioastronomía, es decir, la observación del universo en ondas de radio, a longitud de onda de metros, centímetros o incluso milímetros.

Hoy en día la radioastronomía a ondas centimétricas ofrece la mejor resolución espacial, mediante técnicas interferométricas. La señal recibida simultáneamente por diferentes antenas con sus receptores se combina, obteniendo la resolución angular equivalente a la de una antena virtual gigante. El VLA (Very Large Array), en Socorro, es el paradigma de interferometría conexa, donde la señal de sus 27 antenas, que se pueden mover hasta una separación de 36 km, se combina en tiempo real. Para alcanzar resoluciones angulares superiores, la interferometría de muy larga base usa antenas de radio localizadas a distancias de miles de km (incluso en diferentes continentes), pero allá la señal se guarda y se combina después en los centros de correlación, como en el JIVE (Joint Institute for VLBI in Europe), en Dwingeloo, Holanda. La resolución angular que se alcanza es de milésimas de segundo de arco. Incluso se trabaja para hacer interferometría no conexa entre antenas en el suelo y en el espacio.

La observación a ondas de radio milimétricas es notablemente más difícil, sobre todo por la influencia del vapor de agua atmosférico. Los observatorios de ondas milimétricas, como los del consorcio IRAM en el Plateau de Bure (Alpes franceses) o en el Pico Veleta, están en lugares particularmente altos y secos. ALMA es el proyecto global de astronomía milimétrica, actualmente en construcción en el Llano de Chajnantor, cerca de San Pedro de Atacama (Chile) a 5.100 metros de altura. Tendrá 66 antenas que se podrán configurar sobre una separación de casi 10 km, en un lugar donde las condiciones atmosféricas son posiblemente únicas. Eso ha llevado prácticamente a todos los países a consorciarse alrededor de este proyecto (Europa, EE UU, Canadá, Japón y Taiwan), que esperamos que se acabe de construir hacia el 2012.

La observación de radiac

ión infrarroja y visible ha ganado en sensibilidad y calidad muchos órdenes de magnitud desde los tiempos de Galileo. Parte de este progreso espectacular se ha debido a la construcción de teles-copios más grandes, y situados en lugares privilegiados. Hoy en día tenemos telescopios como el Gran Telescopio de Canarias (GTC) de más de 10 metros de diámetro, y también el Very Large Telescope (VLT), conjunto de cuatro telescopios de 8 metros cada uno que, junto a otros cuatro telescopios móviles menores (de 1,8 metros), pueden hacer interferometría con la luz visible e infrarroja y por lo tanto ver el universo con una resolución altísima.

A pesar de que la luz visible y parte de la infrarroja se puede observar desde la superficie de la Tierra, el acceso al espacio ha sido clave también para el progreso en estas bandas. En primer lugar porque la calidad de la imagen que se obtiene en ausencia de atmósfera es superior; de aquí que el Telescopio Espacial Hubble (HST) haya aportado una auténtica revolución a la astronomía tradicional. Cabe decir que hoy en día, y gracias a técnicas de óptica adaptativa, los efectos nocivos de las turbulencias atmosféricas sobre las imágenes astronómicas en la banda óptica se pueden corregir parcialmente; eso, sin embargo, solamente es posible todavía sobre pequeñas zonas del cielo. Adicionalmente, el acceso a las longitudes de onda infrarrojas más largas se complica incluso desde lugares particularmente altos y secos; de aquí que misiones como ISO (Infrared Space Observatory), Spitzer o el más reciente Herschel son prácticamente las únicas opciones que tenemos para observar el infrarrojo lejano, especialmente importante para estudiar moléculas y la formación de estrellas.

El acceso científico a las radiaciones de longitud de onda más corta que la luz visible ha sido paralelo al desarrollo de la tecnología espacial. La atmósfera de la Tierra absorbe eficientemente (por fortuna) la radiación ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma. Toda esta rama de la astronomía ha crecido durante los últimos cincuenta años, cuando hemos sido capaces de poner en órbita y operar sondas espaciales. En la banda ultravioleta, el observatorio IUE (International UltraUltraviolet Explorer), en funcionamiento durante diecinueve años, nos aportó la principal herramienta de exploración en esta banda del espectro electromagnético; sólo el telescopio espacial Hubble (HST) mantuvo esta ventana al universo parcialmente abierta durante unos años.

La banda de rayos X únicamente se abrió a principios de los años sesenta, y aportó desde el principio importantes sorpresas: estrellas como el Sol emiten poca radiación X, pero otras, como las estrellas de neutrones, enanas blancas o agujeros negros, son potentísimos emisores de rayos X. Después de una serie de misiones en órbita, la tecnología ha permitido que hoy en día dispongamos de verdaderos telescopios que focalizan y detectan rayos X desde el espacio, con unas prestaciones muy avanzadas. En combinación, las tres misiones actualmente en funcionamiento, Chandra, XMM-Newton y Suzaku, pueden tomar imágenes de alta resolución y espectros de resolución media y baja.

Los rayos gamma son más escasos y aún más difíciles de focalizar que los rayos X. A pesar de todo, innovadoras técnicas nos han permitido obtener imágenes en baja resolución del universo a estas longitudes de onda. INTEGRAL (International Gamma-Ray Astronomy Laboratory), hasta ahora el observatorio de rayos gamma de baja energía más sensible, nos ha dado una visión panorámica de nuestra galaxia. La misión Fermi nos dará la primera visión comparable del universo, pero a longitudes de onda del orden de un núcleo atómico, mil veces más pequeñas que INTEGRAL y por lo tanto mil veces más energéticas.

Las radiaciones aún más energéticas, al rango del teraelectronvoltios (TeV) pueden ser detectadas de manera indirecta desde la superficie de la Tierra. Eso es debido a que al desintegrarse en la atmósfera emiten radiación Cherenkov que acaba produciendo flashes de luz visible. Estos flashes se pueden detectar con telescopios especialmente diseñados como MAGIC (Mayor Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov) o HESS (High-Energy Stereoscopic System).

Así pues, la astronomía del siglo xxi goza de una capacidad de exploración del universo sin precedentes; toda la radiación electromagnética se puede usar para estudiar los procesos físicos que tienen lugar en planetas, estrellas y galaxias de todo tipo. Otras fronteras, como las ondas gravitatorias o los neutrinos, también formarán parte de estas herramientas en un futuro y sin duda abrirán nuevas ventanas de observación al universo.

Xavier Barcons. Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC).
© Mètode, Anuario 2010.