Instrumentos astronómicos: del telescopio de Galileo al próximo sustituto del Hubble

A pesar de ser un órgano maravilloso que nos permite percibir el mundo, el ojo humano tiene limitaciones. Eso quiere decir que no podemos verlo todo. 

Unos ojos aptos para ver deben detectar la luz. Sin embargo, no son capaces de percibir todos los tipos de luz. A través de los cerca de cuatro milímetros que mide nuestra pupila, percibimos la luz que corresponde a una rango muy específico del llamado espectro electromagnético.

El ojo humano y el espectro electromagnético

Nuestro universo está lleno de radiación electromagnética: campos eléctricos y magnéticos oscilantes que llevan energía de un lugar a otro, y que se propagan en forma de ondas. Existen ondas electromagnéticas de gran longitud, como las ondas de radio, que pueden medir kilómetros; por otro lado, hay ondas electromagnéticas que pueden ser extremadamente pequeñas, como los rayos gamma, que miden apenas picómetros (en un centímetro caben diez mil millones de picómetros).

El rango de ondas electromagnéticas que los humanos podemos ver tiene una extensión muy limitada, y se conoce como el espectro de luz visible. Nuestro ojo sólo alcanza a percibir algunas longitudes de onda del orden de los nanómetros (en un centímetro hay diez millones de nanómetros). Con el ojo desnudo podemos ver desde los 400 nanómetros (ondas que detectamos en tono violeta), hasta los 700 nanómetros (ondas que vemos en tono rojo).

Los astrónomos, que se empeñan en conocer las leyes del Universo y los astros que se encuentran donde ningún ser humano ha puesto el pie, quieren conocer aquellos ambientes lejanos. Para ello, se han dado a la tarea de construir instrumentos que perciben más allá de los límites de nuestros sentidos.

Algunos de estos instrumentos están en la Tierra; otros se encuentran orbitando en el espacio, y otros más han sido enviados a distintos cuerpos celestes, como la Luna o Marte. Un ejemplo es el robot explorador Curiosity, que llegó a Marte en agosto de 2012 para analizar muestras de suelo marciano en busca de signos de vida.

Los instrumentos de Galileo

Laura Parrao, investigadora del Instituto de Astronomía de la UNAM, junto con otros astrónomos universitarios, ofrece charlas de divulgación de esta ciencia en la sede de la Sociedad Astronómica de México.

En sus pláticas, dirigidas al público en general, relata cómo Galileo fue el primero en utilizar instrumentos para escudriñar el cielo. Ella comenta que Galileo construyó cientos de telescopios y los regaló a la gente influyente de su época en toda Europa, para que los enfocaran al cielo y pudieran apreciar los cráteres de la Luna y otras imperfecciones de los astros.

Con su instrumento, Galileo vio y mostró a otros no sólo la Luna, sino también la rotación y los satélites de Júpiter, así como las fases de Venus, en una época en que se pensaba que la Tierra se encontraba inmóvil en el centro del Universo y los astros eran estrellas perfectas. 

Las observaciones de Galileo con el telescopio marcaron el inicio de la construcción de instrumentos para ver lo que los ojos humanos no alcanzan a percibir debido a las enormes distancias.

De acuerdo con Laura Parrao, el conocimiento de Venus es un ejemplo de cómo los instrumentos pueden cambiar lo que sabemos de los astros. Los conocimientos que los astrónomos tenían de Venus en 1960, cuando se creía que era un planeta similar a la Tierra, se modificaron gracias al observatorio espacial de rayos X Chandra, de la NASA, lanzado en 1999.

Este satélite artificial permite estudiar los objetos astronómicos que emiten rayos X, y que no pueden estudiarse desde la Tierra porque la atmósfera terrestre absorbe la mayor parte de este tipo de ondas electromagnéticas.

Hoy sabemos que Venus es un planeta distinto a la Tierra: su temperatura es de más de 400 grados centígrados y es el más caliente del Sistema Solar. Antes se pensaba que un planeta no podía emitir rayos X, como las estrellas; sin embargo, al observar a Venus con el observatorio espacial Chandra, se hizo evidente que la parte del planeta que da la cara al Sol es tan caliente que emite rayos X.

Saber del Sol gracias a los instrumentos

Primoz Kajdic, investigador del Instituto de Geofísica de la UNAM, describió nuestra estrella más próxima, el Sol, como una bola de gas ardiente que se formó hace 4 mil 600 millones de años en una nube molecular. Los astrónomos piensan que estas nubes moleculares son los lugares donde se forman las estrellas.

Actualmente, los físicos solares sólo pueden estudiar con instrumentos lo que está en la superficie solar, un plasma llamado fotósfera. El interior de la estrella no puede verse, porque el Sol es muy denso. Para hacerse una idea de qué sucede ahí dentro, los astrónomos debieron crear modelos astrofísicos, explicó Kajdic.

El matemático y físico relató que en el siglo XIX se especulaba que el Sol era como una especie de carbón que estaba encendido, y que por eso emitía la luz que vemos de esta estrella. Hoy se piensa que en el núcleo del Sol, donde la temperatura es de casi 15 millones de grados centígrados, ocurren las reacciones nucleares que convierten el hidrogeno en helio, y que de estas reacciones proviene su energía.

Durante mucho tiempo, dijo Kadjic, se pensaba que el Sol era una superficie perfecta y que no cambiaba. Ahora, con los telescopios, se sabe que esto no es cierto. Nuestra estrella presenta estructuras e irregularidades. Un ejemplo son los gránulos o las manchas solares, regiones donde la temperatura, por alguna razón, es menor que la temperatura promedio  de la superficie solar, que es de unos 6 mil grados centígrados. En cambio, las manchas tienen unos 2 mil o 4 mil grados centígrados. Al tratarse de regiones más frías que el resto del disco solar, emiten menos luz y por eso se ven oscuras.

El experto indicó que las manchas solares ya habían sido observadas por astrónomos chinos a simple vista, y que también Galileo Galilei las observó con su telescopio. Galileo se dio cuenta de que las manchas parecían moverse siempre en la misma dirección. A partir de ello, el astrónomo italiano indujo la rotación del Sol, e incluso pudo medir su periodo, que hoy sabemos que es de 27 días.

Otras estructuras que pueden verse en el Sol son las fáculas solares que, a diferencia de las manchas solares, son regiones más calientes.

Las auroras polares, fenómenos lumínicos que se producen cuando las eyecciones de masa solar chocan con la magnetósfera terrestre, también pueden observarse y fotografiarse desde la Estación Espacial Internacional, un centro de investigación espacial que orbita la Tierra.

Aunque los conocimientos acerca de nuestra estrella han avanzado mucho con los datos de los observatorios espaciales, Primoz Kajdic consideró que aún hay mucho por descubrir, y que cada nueva misión espacial devela nuevos fenómenos que los científicos pueden estudiar sobre el Sol. Por ejemplo, aún se desconoce el origen del ciclo solar. También hay incógnitas sobre la configuración magnética del Sol a detalle. El desarrollo de nuevos instrumentos y el estudio minucioso de los datos que recopilen podría arrojar luz sobre estos misterios.

La actividad solar en la Tierra

La doctora Blanca Mendoza Ortega, investigadora del Instituto de Geofísica de la UNAM, estudia las variaciones en la actividad solar y cómo estas podrían tener un impacto en la temperatura de la Tierra. Sus estudios sólo han sido posibles gracias a instrumentos que pueden ver del Sol, lo que es invisible a simple vista.

Al tomar información de las mediciones del polvo solar y del campo magnético del Sol, hechas por satélites fuera de la atmósfera terrestre, Blanca Mendoza y sus colegas han empezado a pronosticar que en estos años estamos ingresando en una nueva época de actividad solar disminuida, que se repite cada siglo.

La investigadora recordó que, antes de la era satelital, los cambios en la radiación solar y el efecto que tienen en la atmósfera terrestre eran difíciles de detectar. Ahora, dijo, con el uso de instrumentos de medición en el espacio, las variaciones pueden estudiarse, de tal suerte que hoy podemos comprender que la radiación del Sol no es constante, como antes se pensaba, sino que presenta ciclos.

De acuerdo con la especialista, las primeras mediciones de la radiación solar se llevaron a cabo en 1978 con los satélites Nimbus7. Desde entonces, los científicos han estudiado las longitudes de onda de la radiación solar que llega a la Tierra y las interacciones con los gases de la atmósfera terrestre, como el ozono, el vapor de agua y el bióxido de carbono.

El Sol, señaló, presenta periodos de actividad máxima y mínima, y durante esos lapsos, la radiación que nos llega varía más o menos, según la longitud de onda de que se trate. En cambio, la radiación de luz del espectro visible varía poco, pero en otras longitudes de onda pequeñas, como la ultravioleta, la variabilidad llega a ser hasta del 100 por ciento.

Gracias a los instrumentos, es posible medir oscilaciones en el Sol que se presentan cada cierto número de días, meses o años, como el ciclo de las manchas solares que se presenta cada once años, aproximadamente.

Con los datos de estas variaciones solares, especialmente del registro de los ciclos de las manchas solares, explicó la doctora en física, ha sido posible reconstruir la historia de la radiación solar total para comprender su actividad, antes de que se analizara en la era satelital.

Hasta ahora las mediciones muestran que durante los máximos de actividad solar, se observa un aumento en la temperatura de la Tierra, especialmente en las regiones subtropicales. Por otro lado, en la capa superior de la atmósfera terrestre se han observado vientos más intensos durante los periodos de actividad máxima del Sol, en estas mismas zonas subtropicales.

Como parte de los estudios para conocer cómo la actividad del Sol podría impactar la temperatura de la Tierra, Blanca Mendoza y otros especialistas trabajan en un pronóstico del posible comportamiento de la radiación solar en los próximos 100 años.

Un observatorio para ver fenómenos cósmicos violentos

Ubicado en el volcán Sierra Negra del Parque Nacional Pico de Orizaba y único en su tipo en el mundo, avanza en su construcción el Observatorio de Rayos Gamma HAWC (High Altitude Water Cherenkov, por sus siglas en inglés). Existen muy pocos lugares en el mundo donde podría haberse construido un observatorio de este tipo. 

Andrés Sandoval Espinosa, investigador del Instituto de Física de la UNAM, quien forma parte del equipo científico que diseñó y construye el observatorio HAWC, explicó  que los rayos cósmicos y los rayos gamma viajan por el Universo y, cuando llegan a la Tierra, chocan con la atmósfera a 60 o 100 kilómetros de altura. Pero la atmósfera no los deja pasar libremente.

Los rayos cósmicos y los gamma chocan con las partículas de la atmósfera terrestre, y al interactuar unos con otras, se convierten en una lluvia de partículas, denominada cascada atmosférica. Las partículas de dicha cascada se propagan rápidamente por la atmósfera y, poco a poco, mientras van bajando, se absorben en el aire.

A alturas elevadas se encuentran muchas de estas partículas, pero a nivel del mar ya hay muy pocas. Es por esa razón, señaló Andrés Sandoval, que los observatorios de rayos gamma como HAWC deben construirse a gran altura.

El científico del IF afirmó que la mayoría de los sitios de gran altura en el mundo se encuentran totalmente congelados y no son de fácil acceso. HAWC se podía haber construido en alguna montaña del Tibet o en Bolivia; sin embargo, México fue la mejor opción.

Un proyecto tan ambicioso como HAWC ha sido posible mediante la colaboración entre México y Estados Unidos; en él participan alrededor de 100 físicos, astrónomos y astrofísicos de ambos países.

El observatorio HAWC es un instrumento de frontera que permitirá analizar y tomar datos para responder preguntas relacionadas con la física fundamental (por ejemplo, la física teórica, la relativista y la de altas energías) y con fenómenos cósmicos violentos ocurridos en nuestra galaxia o fuera de ella. También permitirá realizar estudios sobre la llamada materia oscura y analizar algunos fenómenos solares.

El observatorio HAWC puede detectar tanto rayos cósmicos (constituidos por partículas cargadas que llevan altísimas energías, pues en el vacío viajan a casi la velocidad de la luz), como rayos gamma.

Sandoval Espinosa explicó que los rayos gamma son un conjunto de partículas de luz de muy alta energía, los de más alta energía que se producen en el Universo. Estos rayos se producen, por ejemplo, dijo, cuando un agujero negro en el centro de la galaxia se “traga” estrellas o nubes de polvo.

Los científicos del observatorio HAWC se interesan por el estudio de rayos gamma provenientes del espacio. Por ello, los detectores del HAWC deben ser capaces de distinguir entre un rayo cósmico y un gamma, para descartar las señales del primero y así enfocarse en estudiar sólo las señales del segundo.

El experto indicó que los detectores que se construyen para monitorear los rayos gamma consisten en tanques gigantes de agua, con una capacidad de 200 mil litros. Cada tanque cuenta con una bolsa hermética que contiene agua pura y que impide el paso de la luz exterior.

Cuando las partículas de la cascada atmosférica llegan al tanque, explicó el físico experimental, atraviesan la tapa del contenedor y llegan al agua. Pero como estas partículas viajan en el agua más rápido que como lo hace la propia luz en el agua, su paso por el líquido produce la emisión de una luz azul que luego se detecta mediante fotomultiplicadores.

Al detectar y estudiar la luz que producen las partículas provenientes de la descomposición de los rayos gamma que chocan con la atmósfera, los investigadores pueden inferir en qué dirección venían y deducir de dónde venía ese rayo. Dependiendo del lugar del que proviene el rayo gamma original, las partículas llegan con diferentes ángulos al detector.

El equipo científico de HAWC espera tener listos 100 tanques en 2013 y terminar la construcción de 300 detectores para el año 2014.

Instrumentos futuros

El deseo de saber que hay mas allá de donde alcanzan nuestros sentidos no se detiene.

Hay instrumentos que se lanzaron al espacio y están cumpliendo su misión. El satélite artificial Kepler se lanzó en 2009 y todavía se encuentra orbitando alrededor del Sol, observando siempre la misma región de la galaxia en busca de planetas semejantes a la Tierra. Los astrónomos esperan que continúe funcionando hasta el 2014.

Otros instrumentos, como el robot explorador Curiosity, ya se encuentra en camino a la superficie marciana, donde durante más de un año tomará decenas de muestras de suelo para evaluar la presencia de vida en ese planeta.

Finalmente, existen proyectos que se encuentran en desarrollo, como el James Webb Space Telescope (JWST, por sus siglas en inglés), que se lanzará en el 2018 y reemplazará al telescopio espacial Hubble.

Con éstas y otras tecnologías, que sin duda se desarrollarán en el futuro, el ser humano podrá continuar con sus observaciones para conocer lo que nuestros ojos no ven, pero que la instrumentación sí percibe.