fronteras de la física: Las herramientas del futuro para el estudio del universo


La conferencia de hoy, impartida por el investigador del Instituto de Física de Cantabria (IFCA), Francisco J. Carrera Troyano, dentro del ciclo de Fronteras de la Física, ha tratado del tema de la exploración del universo.

La presentación comenzó con una introducción a la astronomía como ciencia, que intenta aportar pistas sobre el origen del universo, su evolución y nuestro lugar en el universo. Una de sus características, que la diferencia de otras ciencias experimentales, es que los objetos de su estudio son muy grandes y muy lejanos en los que no hay posibilidad de experimentar y se debe limitar a observarlos y extraer de ellos, con la instrumentación adecuada, todo el conocimiento posible. Los objetos astronómicos son en sí mismos los laboratorios de física donde se producen fenómenos que nos proporcionan una información muy valiosa que puede ser recogida y analizada para producir conocimiento científico.

La naturaleza observacional de la astronomía se puede comparar con la física de partículas, que será objeto de la siguiente conferencia, en la que el científico debe construir y operar el laboratorio donde producir experimentos que le reporten la información científica, que es recogida mediante a instrumentación adecuada en grandes instalaciones científicas como los colisionadores de partículas.

La observación del universo se realiza mediante la recogida de ondas de radio, microondas, radiación ultravioleta, rayos X, rayos gamma y por supuesto la luz visible, una ínfima parte del espectro de la radiación electromagnética que nos llega procedente de todas partes del universo. Esta radiación (partículas/ondas) se recoge en diferentes longitudes de onda y en lugares muy elevados donde se instalan instrumentos como telescopios de gran tamaño, que recogen la luz visible o radiotelescopios enormes que recogen las ondas de radio o microondas, o satélites de observación apuntando hacia el universo que recogen otras radiaciones más energéticas que no traspasan la atmósfera de la tierra (afortunadamente para nosotros)

¿Por qué necesitamos observar el universo desde tantas longitudes de onda?

La longitud de onda está relacionada con la energía. Una menor longitud de onda implica una mayor energía. La energía está a su vez asociada con la masa. Y también hay una relación entre la emisión de energía de un cuerpo con el concepto de temperatura, que se mide en grados Kelvin, llamada ley de Wien.

Todos los procesos que ocurren este gran laboratorio que es el universo están asociados a la temperatura, a la energía y a la masa. Los procesos más energéticos, que involucran a masas mayores, generarán ondas de longitud de onda muy pequeña. Otros procesos menos energéticos lo harán con ondas de longitud de onda mayor. Nosotros debemos registrar todos los procesos para comprender el universo. Por lo tanto debemos ser capaces de “ver” el universo en todas las longitudes de onda. En la presentación se pudo ver que los objetos cósmicos, como el sol emiten en varias longitudes de onda (si bien su pico se encuentra en la zona visible del espectro electromagnético) y se pudieron ver imágenes del sol captadas en diferentes longitudes de onda (visible, Ultra Violeta, Rayos X y Radio) en la que se pueden apreciar fenómenos como las manchas solares.

NOTA: Parece ser que existe masa y energía que no emite ninguna radiación, que nosotros seamos capaces de momento de registrar y medir y por lo tanto existe una gran cantidad de masa y energía en el universo que no somos capaces de “ver”. Es lo que constituye la energía y masa oscuras del universo. Son uno de los asuntos por dilucidar por la astronomía.

¿Por qué situamos los instrumentos de observación en sitios elevados?

La razón es la atmósfera. Esta capa de gases que nos cubre tiene propiedades de absorción, distorsión y dispersión de las ondas electromagnéticas/partículas que nos llegan procedentes del universo y que son nuestro objetivo. Cuanto más elevado esté el instrumento de observación, menos porción de la atmósfera que distorsione o impida las medidas. Lo ideal es prescindir totalmente de ella colocando los instrumentos de observación en el espacio, orbitando alrededor de la tierra (o de la luna)

¿Por qué tienen que ser los telescopios de gran tamaño?

Los límites de los instrumentos de observación, en concreto de los telescopios, vienen determinados por su tamaño y el efecto de la atmósfera. Los cuerpos que se pretenden observar emiten una energía que se va dispersando desde su punto de origen de forma esférica con una densidad inversamente proporcional a la distancia al cuadrado. Un telescopio de gran tamaño permite recolectar el máximo de energía para obtener la imagen de lo que se quiere observar.

También se mejora la resolución, es decir, la capacidad de distinguir dos fuentes de radiación muy próximas entre sí, que está limitado por otra parte por la atmósfera, que pone el límite en un grado de arco y los fenómenos de interferencia a una longitud de onda concreta.

Redes de telescopios

No se puede construir un telescopio de tamaño arbitrario ya que el peso de la lente hace que se combe y se distorsione la imagen. Lo que se hace entonces es, o bien construir el telescopio con paneles pequeños hexagonales que luego se ensamblan y pueden llegar a controlarse de forma individual (óptica adaptativa) para compensar los efectos de la cambiante atmósfera o poner varios telescopios pequeños separados entre sí y distribuidos en un área y procesar las señales procedentes de cada uno para dar la ilusión de un gran telescopio, un procesado que se denomina interferometría.

Con esta técnica se puede aumentar la resolución y reducir el límite al impuesto por la interferencia de la longitudes de onda de la radiación utilizada. El inconveniente de esta técnica es que la energía recogida por el conjunto de la red de telescopios es igual a la suma de las áreas de cada uno de ellos. Por esto se pueden necesitar muchos y en un área muy extensa para lograr una calidad aceptable.

En la presentación se habló de proyectos nacionales e internacionales de redes de telescopios como el Very Long Baseline Array (VLBA)

Observación del Sistema Solar

Tras la introducción a los instrumentos de observación desde tierra se hizo una pequeña incursión a la observación del sistema solar mediante instrumentos de captación de ondas electromagnéticas abordo de sondas espaciales. Para superar las limitaciones de la observación desde tierra en la observación de nuestro sistema solar, se diseñaron las diversas misiones espaciales a lo largo del siglo XX que han permitido obtener observaciones detalladas de pŕacticamente todos los planetas de nuestro sistema solar, muchos de sus satélites y del sol.

Se comentaron tres tipos de misiones de observación. La de nuestro sol con el Solar Orbiter de la Agencia Espacial Europea (ESA) previsto para el 2015, con el objetivo de ver el sol a la mayor resolución y posible y su helioesfera. Finalmente se vio la exploración de mercurio, un gran olvidado en la exploración del sistema solar, que actualmente tiene la misión Messenger por parte de la NASA, y para el 2013 la ESA junto con la agencia espacial japonesa (JAXA), tiene planificada la misión Bepi-Colombo.

Observando el universo con luz

En esta sección de la presentación se dio un repaso a los futuros proyectos más importantes a escala internacional de observación del universo a diferentes longitudes de onda desde la luz visible hasta los rayos gamma.

La luz y las ondas de radio permiten observar el universo templado y frío (centros galácticos, formación de planetas, nebulosas frías, nidos de estrellas, etc.) Los telescopios y radio telescopios son sin duda los reyes sobre la tierra en estas observaciones.

En cuanto a los radio telescopios, se habló del gran proyecto internacional Square Kilometer Array (SKA) que implican la colocación de los radio telescopios en un área que cubre el sur de áfrica.

Para observar el universo templado hay que utilizar además de la luz visible el infrarrojo: la astronomía del infrarrojo.

La misión paradigmática en este caso es el James Webb Space Telescope (JWST) por parte de la NASA para el 2013. Esta misión pretende, mediante la instalación de un telescopio de infrarrojo en el espacio para observar mediante radiación infrarroja (que no llega a traspasar por completo la atmósfera, siendo en parte absorbida) el proceso de formación de galaxias, estrellas y planetas.

Entre los proyectos europeos de grandes telescopios para la luz visible y el infrarrojo cercano se comentó el E-ELT (European Extremely Large Telescope) en el que se pretende llevar al límite la resolución que se puede conseguir en la tierra mediante una técnica llamada de óptica adaptativa que permite modificar la forma de los grandes espejos constituidos por espejos individuales encajados entre sí, para compensar las distorsiones de la atmósfera y pasar del grado a los 0,003 grados (tres milésimas) con las que se podrán ver los planetas exteriores alrededor de estrellas lejanas y la física de galaxias lejanas. En este momento se está estudiando el emplazamiento, cuenta con una colaboración tecnológica internacional y un proyecto europeo del sexto programa marco asociado llamado ELT Design Studies.

Para el universo caliente (rayos X) hay un proyecto conjunto entre Europa (ESA) y Japón (JAXA) llamado X-Ray Evolving Universe Spectrometer (XEUS), en el que además colabora el IFCA (en marzo de este año se celebraron unas jornadas sobre el proyecto de las que se pueden consultar todas las presentaciones) El XEUS pretende estudiar el universo en Rayos-X. Se podrán observar objetos y procesos en el orden de los millones de grados kelvin. Entre los fenómenos que se espern observar destacan: formación y evolución de agujeros negros supermasivos, cúmulos de galaxias y fenómenos de gravedad extrema.

Otro interesante proyecto de la ESA, previsto para el año 2011, es la cartografía completa de la galaxia con la identificación, posicionamiento y seguimiento de todos las estrellas de la misma llamado The Galactic Census Project
(GAIA) Un ambicioso proyecto que va a requerir una gran esfuerzo computacional (de hecho, ya he hablado de esta parte del proyecto, en el que interviene además del IFCA, el departamento de inteligencia artificial de la UNED en el que estoy cursando el máster de Inteligencia Artificial y cuya asignatura de minería de datos se tiene un proyecto de maestría relacionado con este proyecto de la ESA)

NOTA: El uso de la computación en la astrofísica y en general en la ciencia se tratará en una conferencia posterior.

NOTA: gravitational red-shift (?)

Las ondas gravitatorias

Otra fuente potencial de datos son las ondas gravitatorias. La Teoría de la Relatividad General (Einstein 1915) predice la existencia de ondas gravitatorias con v=c. No han sido observadas directamente pero sí indirectamente por sus efectos en 1993 por lo cual se dio el premio Nobel de Física a Russell Alan Hulse y Joseph Hooton Taylor Jr.. Son emitidas por masas aceleradas como estrellas binarias.

Existe un proyecto de la NASA llamado Laser Interferometer Space Antenna (LISA) para poner tres satélites en órbita formando un interferómetro, con el objetivo de detectar esas ondas, entre otros.

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