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Proyecto Gaia, un mapa 3D de la Vía Láctea

La misión de la ESA para catalogar las estrellas de la galaxia se prolongará hasta 2021.

10-06-2020

Por Guillermo Cárdenas Guzmán, Ciencia UNAM-DGDC

120 años antes de nuestra era, el astrónomo griego Hiparco compiló el catálogo estelar más famoso de la Antigüedad, en el cual describió más de 800 estrellas. El documento está basado en una escala de brillos o magnitudes que él mismo inventó y que sigue utilizándose.

21 siglos después, los científicos han continuado el trabajo monumental del astrónomo griego con los datos de dos satélites de observación de la Agencia Espacial Europea (ESA): primero el Hipparcos, cuya misión concluyó en 1993, y actualmente el Gaia, aún en órbita y cuya operación, originalmente programada hasta 2019, se prolongará al menos dos años más. 

A través del sondeo de más de mil millones de estrellas en la Vía Láctea, Gaia completará un mapeo en 3D con una mayor precisión y extensión que cualquier otro proyecto antecesor -incluido el Hipparcos- ya que determinará sus posiciones, distancia, movimientos, diferencias de magnitud (brillo) y para las más brillantes, algunas otras propiedades como composición química, según informa la ESA en su página web.

En este proceso, el instrumento —que orbita en un punto denominado L2 de Lagrange del sistema Tierra-Sol, a 1.5 millones de kilómetros de nosotros— detonará la investigación científica primordialmente en el campo de la astronomía, pues ayudará a los expertos a desarrollar modelos para estudiar con detalle la formación, composición y evolución de nuestra galaxia. 

Al mismo tiempo, Gaia permitirá poner a prueba una vez más la Teoría de la Relatividad General y detectar miles de objetos celestes de interés como asteroides, planetas fuera del Sistema solar o enanas café, que los astrónomos consideran estrellas fallidas, ya que no son lo suficientemente masivas para mantener las reacciones nucleares que las hacen brillar.

El satélite incluso podrá observar cuásares, galaxias distantes con un núcleo muy brillante e intensa emisión de radio, a distancias cosmológicas, mismos que empleará para anclar un nuevo sistema de coordenadas. 

Cuenta con varios instrumentos, entre ellos dos telescopios ópticos, que le permiten realizar tres funciones: medir las posiciones, movimientos y brillos de los astros (astrometría); la luz que emiten (fotometría), así como las propiedades de ésta, las cuales revelan la composición química de los objetos que la emiten (espectrometría). 

Cada una de esas funciones tiene un área específica en un sensor denominado Dispositivo de Carga Acoplada (CCD en inglés) de 50 centímetros por un metro de superficie, que forma parte del sistema.  

“Los satélites como Hipparcos y Gaia no nos proporcionan imágenes, nos dan números a partir de los cuales se realiza la medición de las tres coordenadas espaciales de las estrellas y dos de las componentes del vector velocidad, las que tienen que ver con su movimiento proyectado en la bóveda celeste”, explica el investigador Luis Alberto Aguilar Chiu.


El académico del Instituto de Astronomía de la UNAM campus Ensenada señala que para medir las distancias estelares Gaia utiliza el método de paralaje, basado en la medición del desplazamiento aparente de un objeto celeste con respecto a  otros más lejanos en el firmamento, que parecen inmóviles.

Estos objetos distantes son precisamente los mencionados cuásares, que como están ubicados fuera de nuestra galaxia, se utilizan como patrones para medir el paralaje.

Este método se basa en el desplazamiento angular (ángulo de paralaje) de los objetos celestes cuando se observan a tiempos distintos a lo largo de un año, para así medir con alta precisión la distancia real a la que se encuentran.  El desplazamiento de la Tierra alrededor del Sol produce este paralaje.

Funciona de manera análoga a la visión humana, pues nuestros ojos poseen una ligera separación con la cual captan un objeto desde posiciones distintas, que luego el cerebro procesa para dar forma a una sola imagen que, en el caso de objetos a cortas distancias, percibimos en 3D. En el caso de objetos distantes, el efecto de paralaje es pequeño y perdemos la percepción en 3D.

Como las distancias a las estrellas son enormes, sus desplazamientos son muy pequeños. A esto se añade la turbulencia de la atmósfera terrestre, que impide medir ángulos diminutos. Por ello, aclara Luis Aguilar, los astrónomos sólo habían logrado medir algunos miles de estrellas mediante este método, las del entorno del Sistema solar, nuestro vecindario cósmico.

Alta precisión 

Para superar estos obstáculos, la ESA lanzó al espacio los dos satélites astrométricos, primero Hipparcos como precursor y 20 años después Gaia con mejor tecnología. El primero obtuvo datos para armar un catálogo de 100 mil estrellas, cantidad que se superará al menos diez mil veces con Gaia, con el que se determinará la posición y movimiento de aproximadamente mil 700 millones de astros. (Ver recuadro).   

“Con Gaia hemos alcanzado un nivel realmente increíble, como de ciencia ficción, ya que puede medir ángulos tan pequeños como diez millonésimas de segundo de arco”, precisa el especialista en dinámica estelar y galáctica del Instituto de Astronomía. 

Esto significa que si Gaia estuviera en la Tierra y apuntara hacia la Luna, podría medir el tamaño angular de una moneda de diez pesos localizada sobre la superficie selenita y detectar si, por ejemplo, hay una hormiga en el borde derecho o izquierdo de ese objeto metálico.   

“Además, Gaia puede medir movimientos de las estrellas en la bóveda celeste con una velocidad angular equivalente a algo así como el diámetro de la moneda a lo largo de un año”, añade Luis Aguilar. “Si la hormiguita se moviera del borde izquierdo al derecho de la moneda durante un año, el satélite lo alcanzaría a medir. Ese es su nivel de precisión”.     

Con los instrumentos anteriores los astrónomos sólo habían detectado con exactitud la posición y movimiento de entre 50 mil y 100 mil estrellas, mientras que con la misión Gaia la capacidad de observar con alta precisión aumentará hasta las 1,700 millones, que podrán medirse aunque estén al otro lado de la galaxia. 

Esta mayor capacidad —que permitirá más exactitud en las mediciones, con un margen de error entre 5 y 10% en buena parte de las estrellas— hará posible construir el mapa 3D de la Vía Láctea y beneficiará en primera instancia a los astrónomos que, como Luis Aguilar, investigan su composición, dinámica y estructura.

“El movimiento de las estrellas nos permite inferir la dirección y magnitud de las fuerzas de gravedad que influyen sobre ellas y así reconstruir la distribución de masa de la galaxia. Por eso para mi campo de investigación la misión Gaia constituye una verdadera revolución”, afirma el investigador. 

Con los datos de la misión, Aguilar y un equipo de colaboradores de la Universidad de Barcelona estudian una anomalía en el disco de la Vía Láctea conocida como alabeo o doblamiento de un lado hacia abajo y del otro hacia arriba. Aquí puede consultarse uno de sus trabajos más recientes al respecto: 

Esta anomalía no debería ocurrir en una galaxia en rotación como la nuestra y por eso los científicos piensan que una perturbación, inestabilidad u objeto la provocó. “Nos interesa saber por qué el disco no está plano, sino doblado, pues con estos detalles podremos inferir el origen de la perturbación, si fue por otra galaxia que pasó muy cerca o es una inestabilidad intrínseca”.    

El equipo también estudia detalles en el bulbo de la galaxia (la parte central de la misma, que sería como la yema en un huevo estrellado), la cual no tiene forma esferoidal, sino alargada, como una barra. “Tratamos de medir qué tan achatada y elongada está y qué tan rápido gira”, señala. 

Además, el diseño, construcción y resultados que aporta esta misión son puestos a disposición de la comunidad científica sin costo alguno, lo que impulsará en el mediano plazo el desarrollo de instrumentación astronómica, nuevas tecnologías e innovación en las empresas que colaboran con el proyecto. 

Por lo pronto, el satélite de observación, lanzado en 2013 y cuya operación concluiría en 2019, seguirá enviando cúmulos de información que ayudarán a entender el origen de la galaxia y el universo, pues su misión se prolongará por lo menos hasta 2021 a petición de los científicos responsables.  

CIFRAS ASTRONÓMICAS

Hasta 2019, el satélite Gaia de la Agencia Espacial Europea —que comenzó a operar en 2014— había recabado y enviado la siguiente información sobre nuestra galaxia:
-La posición y brillo de 1,700 millones de estrellas 
-La posición y movimiento de alrededor de 14,000 nuevos asteroides en el Sistema Solar
-La temperatura superficial de 161 millones de astros
-El color de 1400 millones de estrellas
-La distancia y movimiento de 1300 millones de ellas


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