Por: Mariana Espinosa Aldama
Publicado en QUO México, mayo 2007
A principios de enero regresó a México Carlos Tejada, diseñador óptico del Instituto de Astronomía de la UNAM, luego de una estancia de once meses en España colaborando en el proceso de transporte, ensamblaje y alineación de osiris, el principal instrumento de obtención de imagen y espectroscopía con el que el Gran Telescopio de Canarias (GTC) ―el más grande de los telescopios ópticos e infrarrojos construidos hasta ahora con un espejo primario de 10.4m― verá su primera luz en julio de 2007. En una plática en el Instituto, comentó además de los exitosos avances del proyecto, en especial, sobre la excelente calidad de imagen y eficiencia de OSIRIS y sobre cómo lidió con el estrés ―causado por la espera durante 10 meses a que todos los aparatos y componentes estuvieran listos―, aprendiendo en sus vacaciones, entre otras cosas, a fabricar aceite de oliva.
El funcionamiento óptimo de osiris es de particular interés para los mexicanos pues, junto con el concepto científico, el diseño y la construcción de OSIRIS y otros dos instrumentos para el GTC, fue con que el ia-unam inició su colaboración con el megatelescopio, del que ahora México es, además, socio.
El GTC se une así a los tres megaproyectos de telescopios de nueva tecnología con participación mexicana: el Gran Telescopio Milimétrico (GTM) el más grande de los radiotelescopios milimétricos, con una antena de 50m, ubicado en la Sierra Negra de Puebla, que fue inaugurado en noviembre de 2006 ―pero que verá su “primera luz” en el 2008―, los telescopios SPM-Twin y el Telescopio de Treinta Metros pensados para la Sierra de San Pedro Mártir, sede del Observatorio Astronómico Nacional ―ambos aun en búsqueda de financiamiento.
Telescopios de nueva tecnología
Pareciera ser que existe una competencia internacional por construir el telescopio más grande del mundo, pero en realidad la búsqueda reside en contar con una gama de telescopios más poderosos y eficientes que cubran el mayor rango de longitudes onda del espectro electromagnético y que cuenten con la más alta tecnología para captar y analizar la luz. El diámetro del espejo primario es tan solo uno de los varios factores que intervienen en la eficiencia y potencia de los telescopios.
Los telescopios que se sitúan en Tierra están diseñados para observar ya sea la luz visible, el infrarrojo o las ondas de radio, pues son estas las ondas electromagnéticas que logran traspasar la atmósfera terrestre. Las ondas más energéticas como los rayos ultravioleta, los rayos-x y los rayos gamma sólo se observan con telescopios satelitales o en globos, aunque también se han colocado en órbita observatorios para el visible como el Hubble; para el infrarrojo, como el Spitzer; y radiotelescopios como el WMAP. Sin embargo, la atmósfera deteriora inevitablemente la calidad de la luz que llega a la superficie terrestre, por ello se buscan condiciones atmosféricas ideales para que el deterioro sea mínimo, en especial si se van a invertir cientos de millones de dólares.
Son contados los lugares en el mundo que gozan de las características atmosféricas apropiadas para la observación astronómica, entre ellos: Hawai, el sur del desierto de Atacama, en Chile; las islas Canarias españolas al noroeste de África; y la sierra de San Pedro Mártir, en Baja California, todos localizados en sitios a gran altura, en zonas con poca humedad y vientos poco turbulentos ―laminares les llaman, pues corren libremente estrato sobre estrato. Cuando los vientos se arremolinan provocan distorsiones en la luz proveniente de las estrellas, análogamente a los objetos que observamos en el fondo de una alberca que parecen cambiar de forma, color y lugar según se mueva el agua.
Por otro lado, los cambios de temperatura durante el día y la noche, en el interior y el exterior de la cúpula provocan alteraciones tanto en las monturas metálicas como en los espejos o lentes. Con el calor los soportes metálicos se dilatan más que el vidrio, corriendo el riesgo de separarse de su montura e incluso, caerse. Además, como sucede en los viejos observatorios sin un buen control de ventilación, el calor del interior del edificio se eleva en corrientes térmicas ascendentes sobre el campo de visión del telescopio; por ello las cúpulas modernas cuentan con grandes ventanas que permiten que el viento corra libremente a través del edificio.
Los sitios de observación deben encontrarse, además, libres de la contaminación lumínica de los desarrollos urbanos. Por todo esto es que la calidad del sitio de observación afecta directamente el tiempo de exposición a la luz estelar, pues un cambio de clima puede disminuir la calidad e incluso interrumpir una observación ―las horas-telescopio del gtc están estimadas en 5000 euros, por ejemplo.
Óptica vivaComo embudo que captura las gotas de agua de la lluvia, los espejos primarios recolectan más fotones mientras más grandes son, pero al mismo tiempo el peso del espejo y su soporte aumenta significativamente, volviendo casi imposible maniobrar el telescopio. Por otro lado, la acción de la gravedad deforma los espejos. En 1976, Rusia construyó un telescopio con un espejo de 6m de diámetro que pesaba 42 toneladas, además de un sistema de soporte de 850 toneladas. Aumentar más el tamaño del espejo hacía imposible crear un soporte con la precisión suficiente para seguir el movimiento de las estrellas, que requiere de precisión micrométrica. Por ello fue indispensable diseñar espejos ligeros, más delgados y/o huecos, con monturas de materiales livianos. Algunos, como el Telescopio de Nueva Tecnología (NTT), construido en 1989 en el Observatorio de la Silla, al sur del desierto de Atacama en Chile, utilizaron espejos de meniscos (el del NTT tiene 3.5m de diámetro y pesa 116 toneladas con todo y soporte). Los espejos de menisco (vidrios relativamente delgados con la misma curvatura en ambos lados) se deforman fácilmente, así que requieren de soportes activos que reajustan constantemente su forma y que han resultado muy funcionales. Otros, como los espejos de 10m de los telescopios gemelos Keck, en el volcán extinto Mauna Kea, en Hawai (con un peso total de 180 toneladas), utilizan espejos segmentados. Los espejos segmentados del gtc tienen forma hexagonal y están acomodados a manera de panal en una configuración que mide 10.4m de diámetro; además, pueden ser reorientados y deformados de manera independiente para que estén siempre correctamente alineados. Eventualmente el GTC pondrá en marcha un sistema de óptica adaptativa capaz de analizar las aberraciones que produce la atmósfera en los frentes de onda de la luz estelar, comparándola con la luz de una estrella artificial simulada en las capas altas de la atmósfera con un potente rayo láser. Tras hacer los cálculos de las aberraciones, el sistema modificará en tiempo real espejos, muy sutilmente (en el orden de cienmillonésimas de metro o nanómetros) pero con la forma inversa a la aberración, de tal suerte que las imágenes serán tan definidas como si no existiera la atmósfera. El sistema de óptica adaptativa logrará imágenes equivalentes a las que se obtendrían con un espejo primario de 10m en el espacio (el Hubble tiene un espejo de 2.5m).
La tecnología del infrarrojoLa constelación de Orión, con sus “Tres Reyes Magos” al centro formando el cinturón del cazador, su estrella azul Rigel y su estrella roja Betelgeuse, es probablemente la más famosa del invierno, tal vez porque todavía se le alcanza a ver en las ciudades, incluso en la de México. Lo que no vemos, sin embargo, es su hermosa nebulosa centrada en la daga muy cerca del cinturón, que incluyendo la nube molecular es casi tan grande como la misma constelación. Algunas regiones de la gran nube de polvo interestelar se encuentra a bajas temperaturas (-200 ºC); otras, cercanas a las estrellas, alcanzan los 10,000 ºC. Las partes más frías de regiones de formación estelar, de nebulosas planetarias, de muchos chorros de gases, así como las enanas cafés y los planetas, casi no emiten luz en el visible, pero sí irradian calor, es decir radiación electromagnética con longitudes de onda entre los 0.001mm y 1mm, y para observarlos se utilizan técnicas de contraste.
Si pudiéramos ver en el infrarrojo, el cielo nocturno no sería tan oscuro pues la atmósfera irradia cierto calor. Veríamos pasar las corrientes de aire caliente en contraste con las de aire frío. Para que los instrumentos detecten la radiación infrarroja de una estrella, por ejemplo, miden la radiación de la atmósfera en un fragmento del cielo y la comparan inmediatamente después con la de la estrella, enseguida vuelven a medir el cielo sin la estrella, y de nuevo con la estrella… sin estrella, con estrella…, para sustraer el cambiante brillo de la atmósfera varias veces por minuto. Esto significa tener que redireccionar el telescopio constantemente, pero mover tan rápido las toneladas del gtc es ineficiente por no decir imposible; por ello se diseñó un espejo secundario movible súper ligero que concentra y redirecciona la luz reflejada por el espejo primario hacia el espejo terciario.
El espejo secundario del GTC fue fabricado de berilio con un recubrimiento de níquel. El berilio es un material mucho más rígido y ligero que el vidrio, pero extremadamente tóxico (y potencialmente explosivo). No existía en el mundo empresa alguna capaz de fabricar grandes espejos de polvo de berilio, así que fue necesario desarrollar nueva tecnología en este sentido. La empresa estadounidense Brushwellman es ahora la única en el mundo que produce e integra berilio, y necesitó de cuatro intentos para sintetizar el bloque, utilizando una técnica llamada de presión isostática en caliente, que consiste en aplicar altas temperaturas y altas presiones a un contenedor lleno de polvo de berilio. El resultado fue un espejo de 1.2m de diámetro y tan solo 38kg (para poder oscilar rápidamente) útil tanto para longitudes de onda infrarrojas como en el visible. Otros telescopios optan por tener dos espejos secundarios: uno para el visible y otro para el infrarrojo, pero cambiar uno por otro puede llevar más de un día de trabajo.
La industria astronómicaLos instrumentos, técnicas y materiales que requiere la astronomía y la industria espacial no se compran en el supermercado; es por ello que las innovaciones tecnológicas que se requieren fomentan nuevas técnicas y desarrollos que posteriormente encuentran aplicaciones en la industria comercial. Un ejemplo ilustrativo es el de los dispositivos de transferencia de carga o ccds, originalmente optimizados por la astronomía para sustituir las placas fotográficas que tardaban horas y a veces días en reaccionar fotoquímicamente a la tenue luz de las distantes estrellas y nebulosas. Los dos ccds de osiris suman 16.4 megapixeles pero con una eficiencia pico del 80% (el de las cámaras fotográficas convencionales es significativamente menor), produce un mínimo de ruido para detectar prácticamente fotón por fotón y tienen un valor estimado de $200,000 usd.
Por su parte, el costo de diseño, construcción y manejo de los megatelescopios se ha escalado con su competitividad. El GTC tenía un presupuesto inicial de unos 120 millones de euros, el Gran Telescopio Milimétrico de 100 millones de dólares, el proyecto SPM-Twin que consiste en dos telescopios de 6.5m de diámetro, uno de gran campo y el otro para infrarrojo, implica una inversión de 150 millones de dólares, y el Telescopio de Treinta Metros (que podría ser instalado en San Pedro Mártir) requiere cerca de mil millones de dólares. Por supuesto no hay institución en el mundo que por si sola pueda reunir estas sumas astronómicas, por ello los proyectos se realizan a través de grandes consorcios internacionales, donde los distintos miembros hacen aportaciones diversas como el desarrollo del sitio y sus instalaciones, los instrumentos, los espejos, los costos de desarrollo y operación, etc. Todos estos costos terminan en inversiones industriales, científicas y educativas de los miembros.
OSIRIS, FRIDA y la Cámara de VerificaciónEl Instituto de Astronomía de la unam, el Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica (INAOE) y el conacyt se integraron al proyecto del GTC con una participación del 5%, además del diseño y construcción de instrumentos de vanguardia: osiris, Frida y la Cámara de Verificación. En contrapartida, los astrónomos mexicanos obtendrán al menos el 5% del tiempo de observación. Además se tiene contemplado el intercambio de tiempo de observación entre el gtc y el gtm, y en el futuro el SPM-Twin.
La Cámara de Verificación es uno de los instrumentos que pondrán a punto los 36 espejos del GTC, revisando su correcto alineamiento y curvatura para evitar el mínimo de aberraciones. Osiris es el acrónimo en inglés del sistema óptico para imagen y espectroscopia integrada de resolución baja/intermedia (Optical System for Imaging and low-Intermediate-Resolution Integrated Spectroscopy) y representa el estado del arte en instrumentación óptica astronómica. Osiris permitirá estudiar hasta 1700 objetos a la vez, analizar la atmósfera de planetas, visualizar objetos compactos como el entorno de agujeros negros, observar supernovas muy lejanas y estudiar la formación, evolución y composición de galaxias y cúmulos de galaxias entre otras mil maravillas. FRIDA (InFRared Imager and Dissector for the Adaptive Optics System) se encuentra aún en proceso de diseño, pero permitirá estudiar varias longitudes de onda de un objeto simultáneamente, aprovechando al máximo el sistema de óptica adaptativa del GTC.
Cámara de verificación
OSIRIS
