Visión cósmica

Una nueva generación de telescopios gigantes llevará nuestra mirada hasta los confines del universo.

VISIÓN MÁS AGUDA El telescopio Hale, de 5.1 metros, del Observatorio Palomar, en California, ha hecho ciencia 
de primer nivel durante 60 años, con sus descubrimientos clave sobre galaxias y cuasares. Un láser de óptica adaptativa que sube 90 kilómetros en la atmósfera le permite ahora producir imágenes más precisas y detalladas.
Foto de Joe McNally

Cuando observamos el cielo con un telescopio, suelen suceder dos cosas. Primero, nos sorprende el paisaje –los anillos de Saturno, los cúmulos de estrellas brillando como joyas sobre terciopelo negro, las galaxias iluminadas con una luz suave más antigua que la especie humana– y nos damos cuenta de que nosotros y nuestro mundo somos parte de este gigantesco sistema. Segundo, pronto queremos un telescopio más grande.

El próximo otoño se cumplirán 400 años desde que Galileo apuntó, por primera vez en la historia, un telescopio al cielo nocturno. Él fue el pionero de este programa de dos pasos. Empezó por maravillarse con lo que vio. Su telescopio reveló tantas estrellas antes invisibles que cuando trató de ubicarlas en una sola constelación (Orión), se rindió y confesó que se había sentido “abrumado por la inmensa cantidad de estrellas”. Vio montañas en la Luna, lo cual contradecía la creencia ortodoxa de que todos los objetos celestes estaban hechos de un “éter” sobrenatural. Trazó la trayectoria de cuatro satélites brillantes mientras orbitaban Júpiter como planetas de un sistema solar en miniatura, algo que los críticos de la teoría heliocéntrica de Copérnico habían calificado como físicamente imposible. Se evidenciaba que la Tierra era una pequeña parte de un gran universo, y no una gran parte de un universo pequeño.

Y pronto, en efecto, Galileo empezó a construir telescopios más grandes y mejores. Todavía no había lentes grandes para capturar la luz, por lo que se concentró en hacer telescopios más largos, que tenían mayor poder de amplificación y además reducían los halos de colores falsos que aquejaban a las lentes de vidrio en aquellos días. Gracias a observadores posteriores, el diseño del telescopio refractor con lentes de vidrio llegó a otro nivel. En Danzig, Johannes Hevelius construyó uno de 46 metros de largo; colgaba de un palo por medio de cuerdas y se mecía con la brisa más leve. En los Países Bajos, los hermanos Huygens mostraron al mundo unos telescopios larguiruchos que ni siquiera tenían tubos: la lente objetivo se posaba en una plataforma alta sobre un campo mientras el observador alineaba una lente amplificadora a 60 metros de distancia.

El telescopio reflector, del que Isaac Newton fue pionero, hizo posible satisfacer ese deseo en la práctica: gracias a los espejos, sólo había que crear una superficie para captar y reflejar la luz estelar en un punto focal; como el espejo tenía un soporte en su parte posterior, podía ser muy grande sin combarse por su propio peso, como tendían a hacer las lentes grandes. William Herschel descubrió Urano usando un telescopio reflector que él mismo fabricó: forjó sus espejos metálicos en el jardín y el sótano de su casa, y en una ocasión tuvo que huir de un río de metal derretido después de que se rompiera el molde de estiércol de caballo. Las galaxias de brazos espirales fueron vistas por primera vez con un gran telescopio reflector, cuyo espejo primario tenía 1.8 metros de diámetro, construido por lord Rosse en la propiedad que poseía en Irlanda.

Los telescopios más grandes en la actualidad tienen espejos de hasta 10 metros de diámetro, y cuatro veces más poder para captar luz que el legendario Hale del Observatorio Palomar en California, de cinco metros. Tan grandes como edificios de oficinas, algunos de estos gigantes están tan automatizados que pueden desempolvar sus sistemas ópticos al atardecer, abrir la cúpula, organizar y realizar observaciones a lo largo de la noche, cerrar la cúpula si el clima es desfavorable, todo con poca o ninguna intervención humana. No obstante, los humanos, siendo humanos, de todos modos intervienen mucho, aunque sea sólo para asegurarse de que nada salga mal: perder una sola noche de observación en alguno de estos telescopios puede significar un despilfarro de hasta 100 000 dólares en costos de operación.

Tres de los más grandes telescopios –Géminis Norte, Subaru y Keck– se encuentran muy cerca uno de otro, a 4 205 metros de altura en la cima del Mauna Kea, un volcán inactivo en Hawai. Esa altitud los coloca por encima de 40 % de la atmósfera terrestre y de la mayor parte de su vapor de agua, que es opaco a las ondas infrarrojas, muy importantes para los astrónomos; pero también dificulta a estos y a los ingenieros respirar y pensar. Muchos usan delgados tubos transparentes de oxígeno en la nariz de manera tan rutinaria como nosotros usamos gafas. Otros confían en la capacidad de adaptación del organismo, pero les preocupa cometer un error que dañe su reputación para siempre. “En esta altitud no improvisamos; sería un desastre –dice Scott Fisher, astrónomo del Géminis–. Aquí arriba somos como monos adiestrados. El verdadero razonamiento se lleva a cabo a nivel del mar”.

El costo y el desempeño de estos grandes observatorios del Mauna Kea son comparables, pero cada uno exhibe una personalidad distinta. El telescopio Géminis, de 8.1 metros, se aloja en una cúpula plateada en forma de cebolla. Pero al anochecer los gajos se abren para crear un enorme juego de ventanas de tres pisos de altura que se extiende para cubrir casi tres cuartas partes del edificio que aloja el telescopio. Las ventanas dejan pasar el aire nocturno y muestran una vista panorámica del Pacífico hasta Maui y más allá. Los cuatro detectores digitales del Géminis –cámaras y espectrómetros tan pesados como coches y cuyo costo es de alrededor de cinco millones de dólares cada uno– están unidos a un carrusel que rodea el punto focal del telescopio, y desde donde pueden rotar para colocarse en posición en cuestión de minutos. Las computadoras operan el telescopio en la noche, barajando las observaciones solicitadas de tal manera que se aproveche al máximo cada minuto. “Todo por la eficiencia nocturna”, dice Fisher.

Los instrumentos del telescopio Subaru están alojados en huecos como botellas de champaña en una bodega de vinos (la comparación no es gratuita: un astrónomo japonés hace una ofrenda a los dioses al principio de cada observación, derramando sake añejo en el suelo afuera de la cúpula hacia los cuatro puntos cardinales). Subaru es uno de los pocos telescopios gigantes por los que el ojo humano ha visto directamente. Para su inauguración, en 1999, se instaló una pieza ocular para que la princesa Sayako de Japón pudiera mirar, y varias noches subsecuentes entusiastas miembros del personal hicieron lo mismo. Uno de ellos recuerda que “todo lo que se puede ver en las fotos del telescopio Hubble –los detalles, las manchas en las nebulosas– lo podía ver con mis propios ojos a todo color”.

El observatorio Keck consta de dos telescopios idénticos. Cada uno tiene un espejo de 10 metros hecho de 36 segmentos; con todo y la estructura de soporte, cada segmento pesa casi 400 kilogramos, cuesta casi un millón de dólares y sería por sí mismo suficiente para construir un buen telescopio universitario. “Usamos la misión del telescopio para motivarnos –me dijo un astrónomo del Keck–. Si encontramos un pequeño cable o algo que obstruya su vista, pensamos que si esa luz ha estado viajando a través del espacio durante 90 % de la historia del universo y llega así de cerca al telescopio, debemos asegurarnos de que alcance el final del camino”.

Ya pocos de los astrónomos que obtienen autorización para usar los telescopios van a observar en persona. La mayoría manda sus peticiones de manera electrónica y se les envían los resultados: en una noche reciente en el Géminis, los proyectos programados iban desde “Masas primordiales del sistema solar” hasta “Actividad magnética en las enanas ultrafrías”. Geoff Marcy, moderno Enrique el Navegante, cuyo equipo ha descubierto más de 150 planetas orbitando estrellas que no son nuestro Sol, tiene a su disposición más tiempo de observación en el Keck que la mayoría, y sin embargo no ha visitado el lugar en años. En vez de eso, su equipo de investigación de planetas extrasolares hace observación remota desde un complejo de la Universidad de California en Berkeley. Marcy cuenta que, durante los periodos de observación, “nos acostumbramos a una rutina de trabajo nocturno. Tenemos a la mano todos nuestros libros y otros recursos, además de suficiente vida normal como para que nuestras parejas no nos olviden”.

Además de su poder sin precedentes para captar luz, los telescopios de hoy se benefician de su sistema de óptica adaptativa (OA), que compensa la turbulencia atmosférica. La turbulencia es lo que hace que las estrellas titilen; los telescopios amplifican cada destello. Un sistema de OA típico dispara un láser hacia una delgada capa de átomos de sodio a 90 kilómetros de altura en la atmósfera, haciendo que brillen. Al monitorear esta estrella artificial, el sistema determina cómo se agita el aire y ajusta la óptica del telescopio más de 1 000 veces por segundo para compensar. “Es increíble verlo en práctica –dice Scott Fisher–. Cuando el sistema de óptica adaptativa está apagado, se ve una estrella pequeña y bonita, un poco borrosa. Al encender el sistema, la estrella hace ¡tonk! y se colapsa en un punto diminuto”.

Los objetos del cielo nocturno se miden en grados. Por ejemplo, la Luna llena ocupa medio grado aproximadamente. Sin el sistema de óptica adaptativa, un telescopio poderoso puede percibir objetos separados por la distancia que resulta de dividir un grado entre 3 600, lo mismo que un segundo de arco, en una noche clara. Gracias al sistema de óptica adaptativa del Keck, la astrónoma Andrea Ghez, de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA), pudo hacer una película sobre siete estrellas brillantes girando alrededor del hoyo negro invisible en el centro de nuestra galaxia a lo largo de un periodo de 14 años: la película entera ocurre dentro de una caja que mide un segundo de arco de lado. Con base en el movimiento frenético de las estrellas al alcance del hoyo negro, Ghez calculó que este tiene una masa de cuatro millones de soles y genera suficiente fuerza gravitacional para catapultar fuera de la galaxia a algunas estrellas que pasan junto a él. Se han localizado varias de estas estrellas hiperveloces, moviéndose a toda velocidad hacia las profundidades del espacio intergaláctico como juerguistas expulsados de un club nocturno exclusivo.

¿Qué sigue? Telescopios aún más grandes, desde luego, con la capacidad de tomar fotos cósmicas más rápido, de regiones más extensas, y aún más detalladas. Entre los monstruos que se espera entren en operación en una década están el Gran Telescopio Magallanes, el Telescopio de Treinta Metros y, con 42 metros, el Telescopio Europeo Extremadamente Grande –versión reducida del Telescopio Abrumadoramente Grande de 100 metros, que fue suspendido en la etapa de planeación cuando el presupuesto previsto resultó igualmente abrumador–. El Gran Telescopio de Rastreo Sinóptico (LSST, por sus siglas en inglés) es particularmente innovador. El vidrio de su espejo primario de 8.4 metros fue moldeado el pasado agosto en un horno giratorio bajo las gradas del estadio de futbol americano de los Wildcats de la Universidad de Arizona, en Tucson (la técnica de rotación produce una superficie que ya es cóncava y así se reduce la cantidad de vidrio necesaria para darle la forma correcta al espejo). Los telescopios convencionales tienen campos de visión angostos, de no más de medio grado, demasiado poco para abarcar las enormes formaciones que emergieron a partir del Big Bang. El LSST tendrá un campo que cubrirá 10 grados cuadrados, el área de 50 lunas llenas. Desde su ubicación en los Andes chilenos podrá crear imágenes de galaxias distantes en tiempos de exposición de sólo 15 segundos, capturando eventos fugaces a distancias de más de 10 000 millones de años luz; esto es como recorrer 70 % del camino que llega al final del universo observable. “Como tendremos un gran campo de visión, podremos tomar muchas exposiciones cortas y –clic, clic, clic, clic– cubrir todo el espacio visible durante varias noches, y luego repetir el proceso –dice Tony Tyson, director del LSST–. Si haces eso durante 10 años, tienes una película: la primera película del universo”.

La producción rápida de imágenes en ángulos amplios del LSST podría ayudar a responder dos de las mayores interrogantes que enfrentan actualmente los astrónomos: la naturaleza de la materia oscura y la de la energía oscura. La materia oscura se hace presente por medio de su atracción gravitacional –explica la velocidad de rotación de las galaxias– pero no emite luz, y se desconoce su composición. La energía oscura es el nombre que se le da al misterioso fenómeno que durante los últimos 5 000 millones de años ha estado aumentando la velocidad a la que se expande el universo. “Da un poco de miedo –dice Tyson–, es como si estuvieras piloteando un avión y de repente algo desconocido se apoderara de los controles”.

Aunque parezca extraño, el LSST podría ayudar a resolver estos grandes enigmas gracias en parte a la ciencia de la acústica. El Big Bang fue ruidoso. Aunque el sonido no se puede propagar por el espacio actual –como los pedantes gustan de señalar a los directores de películas de ciencia ficción–, el universo primitivo era un plasma denso y tan ruidoso como una convención de bateristas. Algunos tonos resonaron en el plasma primordial, como los que suenan al golpear copas de vino, y estas armonías, grabadas en las capas de las galaxias que hoy se desplazan a lo largo de miles de millones de años-luz, contienen información precisa sobre la naturaleza de la materia y la energía oscuras. Si los astrónomos logran descifrar estas inmensas estructuras, podrían identificar las firmas de la materia y energía oscuras en los armónicos del Big Bang. El Sondeo Espacial Digital Sloan, pionero en los estudios de ángulos amplios, capturó parte de esta información al observar el espacio de 1999 a 2008. El LSST está diseñado para llegar a lugares mucho más profundos del espacio cósmico. Es posible que no resuelva los enigmas, pero Tyson predice que “será un gran avance para mostrar qué no son la energía oscura y la materia oscura”.

La “velocidad” fotográfica del LSST también permitirá a los astrónomos observar mejor algunos eventos demasiado breves para estudiarlos con la rapidez necesaria. La mayoría de los astrónomos, incluso los aficionados que usan telescopios y cámaras comerciales, captan con frecuencia eventos efímeros de origen desconocido. Se toma una serie de exposiciones digitales y en una de ellas aparece un punto de luz donde no había nada ni antes ni después. Pudo haber sido un rayo cósmico golpeando el chip detector de luz, un asteroide de alta velocidad que cruce por el campo de visión o un destello azul en la superficie de una estrella roja tenue. Simplemente no se sabe, así que uno se encoge de hombros y lo olvida. Como el LSST tomará tantas exposiciones repetidas del cielo entero, podría resolver muchos acertijos de este tipo.

Los telescopios del mañana harán en una noche lo que los de hoy en un año, pero no quiere decir que los telescopios viejos se volverán obsoletos. Cuando los gigantes entren en operación, dice Scott Fisher, “los Géminis actuales se convertirán en los telescopios que hagan los sondeos”, encontrando fenómenos interesantes que luego serán estudiados a detalle por los telescopios grandes.

Los telescopios espaciales que orbitan la Tierra están abriendo otra dimensión. El satélite Kepler de la NASA, lanzado al espacio en marzo de 2009, analiza metódicamente la constelación del Cisne y busca un leve oscurecimiento de la luz que sucede cuando los planetas –algunos quizá parecidos a la Tierra– pasan frente a sus estrellas; el equipo de Geoff Marcy usará el Keck para escudriñar las estrellas marcadas por el Kepler y así confirmar si tienen planetas. Algún día habrá observatorios en los cráteres del lado oscuro de la Luna que podrían estudiar el universo en condiciones idealmente tranquilas, oscuras y frías. La combinación que se espera de satélites inteligentes en comunicación con grandes teles-copios cada vez más automatizados –conectados entre sí por redes de fibra óptica y con sistemas de inteligencia artificial para buscar patrones entre los torrentes de información– sugiere un proceso tanto biológico como mecánico, similar a una evolución global de ojos, nervios ópticos y cerebro.

A los directores de cine les gusta decir que cada película es en realidad dos: la que se hace y la que se dice que se hará cuando se está consiguiendo el financiamiento. El punto es que nadie puede predecir con certeza cuál será el resultado de un proyecto genuinamente creativo. Lo mismo sucede en la ciencia con los descubrimientos: los científicos pueden explicar lo que creen que lograrán con telescopios más grandes y mejores, pero sus predicciones son sólo extrapolaciones del pasado. “Si vas a Washington en busca de financiamiento para un nuevo telescopio y haces una lista de lo que se podrá ver a través de esta nueva ventana al universo, sabes que el hallazgo más interesante probablemente no esté en esa lista –dice Tyson–. Lo más seguro es que sea algo del todo nuevo, completamente inesperado, que cambie nuestra concepción del universo”.

El modelo del universo basado en la teoría del Big Bang, armado a principios del siglo XX, surgió en parte gracias a ese tipo de descubrimientos inesperados. Edwin Hubble descubrió por azar la expansión del universo con un telescopio: estaba implícita en la teoría de la relatividad general de Einstein, pero Hubble no la conocía y ni el propio Einstein se la tomaba en serio. La materia oscura se descubrió por accidente; la energía oscura también. Un telescopio no sólo nos muestra lo que hay allá afuera; nos hace ver lo poco que sabemos, y abre nuestra imaginación a maravillas sin límite. “El catalejo es muy veraz”, dijo Galileo.

Enlace: http://ngenespanol.com/2009/07/01/vision-cosmica-articulos/