Telescopios: de la observación a través de la atmósfera al espacio. Parte II

Publicada el 6 abril, 2022 por aemetblog

Autor: Julio Solís García. Analista Funcional. Delegación Territorial de AEMET en Andalucía, Ceuta y Melilla. Centro Meteorológico de Málaga

Seguramente el desarrollo de los telescopios gigantes en los próximos decenios, y sobre todo los avances en interferometría óptica, quizá permitan ‘ver’ planetas extrasolares como ahora vemos los planetas del Sistema Solar, con sus atmósferas, sus mares y su orografía, y estudiar estrellas cercanas como ahora estudiamos el Sol.

Observatorios astronómicos en órbita

Después de más de 400 años de desarrollo y evolución del telescopio, incorporando cada vez ópticas de mayor tamaño, espejos segmentados, tecnologías de óptica activa y de óptica adaptativa, construcción de observatorios astronómicos en las zonas con mejores cielos, más limpios y transparentes, y los mayores avances en ingeniería, mecánica, electrónica, materiales, etc…, a finales del siglo XX se produjo un gran salto cualitativo, al aprovechar los satélites artificiales para colocar en órbita observatorios astronómicos capaces de eliminar todos los filtros impuestos por la atmósfera terrestre y la contaminación lumínica, consiguiendo imágenes nunca vistas a través de telescopios terrestres.

La colocación de telescopios en órbita presenta dificultades muy diferentes a las de los Observatorios en tierra. Los equipos tienen unas limitaciones en peso y volumen que impiden, de momento, la construcción de telescopios muy grandes. Se tienen que resolver los inconvenientes de la ingravidez, temperatura, micrometeoritos, radiación y otros que se dan en el espacio, como la fuente de energía necesaria para su funcionamiento o las dificultades para tareas de mantenimiento, reparaciones o actualizaciones de componentes. Todas estas limitaciones hacen que los telescopios espaciales tengan una vida útil muy corta, de pocos años generalmente.

La utilización de satélites artificiales comenzó en el año 1968, pero dada la brevedad de sus tiempos de servicio efectivo casi todos han dado por finalizadas sus misiones, aunque muchos de ellos pasarán a la Historia por la enorme contribución al estudio del Cosmos, y en particular al estudios de los planetas extrasolares, como los telescopios Spitzer y Kepler cuya ingente cantidad de datos enviados aún se siguen analizando por los científicos.

Actualmente el único telescopio óptico (ultravioleta-visible-infrarrojo) situado en órbita es el Hubble, aunque está al final de su exitosa misión. El HST (Hubble Space Telescope) fue colocado en órbita por el transbordador espacial Discovery de la NASA el 25 de abril de 1990. Proyecto conjunto de la NASA y de la Agencia Espacial Europea (ESA), ha cumplido sobradamente con las expectativas creadas tras su lanzamiento. El Telescopio espacial HST es un reflector Ritchey-Chrétien (Cassegrain) con un espejo primario de 2,4 metros de diámetro, y otro secundario de 0,3 metros de diámetro colocado en una estructura cilíndrica de 13 metros de longitud y 4 metros de diámetro, y 12 toneladas de peso (Figura 40).

Figura 40: HST (Telescopio Espacial Hubble). Equipos, instrumentos y óptica.  

El telescopio fue situado en una órbita circular a 540 km por encima del nivel del mar, dando una vuelta al planeta cada hora y media a 27 300 km/h. Esa cercanía ha permitido que pudiera ser sometido a ajustes, corrección de la órbita, reparaciones, e incorporación de nuevo equipamiento, por parte de las tripulaciones enviadas a tal fin en vuelos de transbordadores y otras misiones espaciales de servicio, como la instalación de un sistema corrector óptico para un defecto de fabricación del espejo principal que hubiera dado al traste con todo el proyecto nada más comenzar. También ha permitido una vida útil particularmente larga que supera los 31 años y medio de servicio ininterrumpido. El Telescopio espacial Hubble cuenta con unos paneles solares y unas baterías que le permiten asegurar una fuente de energía constante para alimentar toda la electrónica, equipos de refrigeración de instrumentos, alimentación eléctrica de las cámaras y los cuatro motores empleados para orientarlo y estabilizarlo (Figura 41).

Figura 41: HST (Telescopio Espacial Hubble)    

El HST es una de las misiones científicas de la NASA más brillantes y duraderas. Ha enviado unas 500 000 fotografías a la Tierra, arrojando luz sobre muchos de los grandes misterios de la astronomía, como la edad del Universo, que tras los descubrimientos del telescopio espacial quedó establecida de manera más precisa en 13 800 millones de años, también resultó clave para el descubrimiento de la energía oscura, una fuerza misteriosa que provoca la aceleración de la expansión del universo. La misión ha mostrado a la comunidad científica galaxias en todas las etapas evolutivas, ayudando a comprender su formación y evolución, y también discos protoplanetarios formados por gas y polvo alrededor de estrellas jóvenes, que probablemente funcionan como lugares de nacimiento de nuevos planetas. Descubrió, igualmente, que los estallidos de rayos gamma (explosiones extrañas de muy alta energía) pueden ocurrir en galaxias lejanas cuando las estrellas masivas colapsan. Con las observaciones del telescopio espacial Hubble se ha constituido un catálogo con la posición detallada de quince millones de estrellas (Hubble Guide Star Catalogue –HGSC-).

Toda la comunidad científica tiene acceso al HST (Figura 42), cualquier astrónomo del mundo puede enviar una propuesta y solicitar tiempo en el telescopio, y apoyo para hacer uso de los extensos archivos de datos. El número de solicitudes es tan grande que un comité de revisión de expertos en astronomía tiene que seleccionar las mejores propuestas, y para evitar sesgos el proceso de competencia es doble ciego (los proponentes no conocen la identidad de los revisores y los revisores tampoco conocen las identidades de los proponentes). Las propuestas ganadoras son las que hacen el mejor uso, que son un 20% del total aproximadamente.

Figura 42: HST (Telescopio Espacial Hubble) a 540 km de altitud, orbitando La Tierra a 27 300 km/h

Proyectos en desarrollo – Telescopios espaciales

Actualmente están en marcha, unos más adelantados y otros en fases muy preliminares, varios proyectos de Observatorios espaciales:

– Telescopio Espacial Atlas (Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope -ATLAS Telescope-) en fase de estudio por la NASA. Está proyectado que tenga un espejo monolítico de 8 o 16 metros de diámetro y se situará en órbita alrededor del Sol a un millón y medio de km de La Tierra.

– Telescopio ACESat, es un proyecto de la NASA muy particular y concreto: estudiar los posibles exoplanetas habitables en el sistema estelar más cercano (Alfa Centauri A, B y C) a 4,36 años-luz de distancia. A raíz de los indicios sobre posibles planetas habitables en Próxima Centauri (Alfa Centauri C) se puso en marcha el estudio y construcción de este telescopio espacial, con una dotación de recursos muy modesta, que implica la construcción de un telescopio muy pequeño (de 30 a 45 cm de diámetro), suficiente, no obstante, para detectar un planeta de tamaño similar al de La Tierra en cualquiera de las zonas goldilock de cualquiera de las dos estrellas principales (A y B), e incluso averiguar si existe agua, oxígeno o metano, o nubes y océanos.

– Telescopio espacial chino Xuntian (Crucero de los cielos), denominado en inglés CSST (China Space Station Telescope) y que tiene proyectado su lanzamiento al espacio durante el año 2022, para situarlo en una órbita baja a unos 400 km de altitud. Inicialmente, al comienzo del proyecto en el año 2011, se desarrolló como un módulo más de la Gran Estación Espacial Modular China (Tiangong -Palacio celestial-), pero posteriormente se descartó ese concepto y se planificó como observatorio independiente, aunque con capacidad para acoplarse a la estación espacial periódicamente para tareas de mantenimiento y reparación, o de cualquier otro tipo. Xuntian podrá operar en los rangos infrarrojo cercano, visible y ultravioleta cercano en un campo de visión muy amplio (1,1 x 1,1º), y estará dotado de un espejo primario de 2 metros de diámetro con un diseño de tres espejos secundarios. Además de espectrómetros y otros instrumentos avanzados, dispondrá de una cámara de 2,5 millones de píxeles y su resolución alcanzará los 0,15 segundos de arco. El telescopio tendrá un sistema de propulsión propio que le permitirá maniobrar, orientarse y corregir su órbita cuando sea necesario, y su vida útil prevista será de 10 años (Figura 43).

Figura 43: Telescopio espacial Chino Xuntian (CSST – crucero de los cielos), acoplado a la Estación Espacial Modular Tiangon (palacio celestial). 

– Telescopio espacial Euclid. Misión espacial planificada por la Agencia Espacial Europea (ESA) dentro del programa científico ‘Visión Cósmica 2015-2025’, para lanzarse al espacio durante el año 2022 y con una vida útil estimada de 6 años. Tendrá unas dimensiones de 4,5 metros de largo por 3,1 de diámetro y un peso de 2,1 toneladas. El telescopio (configuración tipo Korsch de tres espejos) contará con un espejo principal de 1,2 metros de diámetro y un campo de visión de 1,25 x 0,727º. Contará con una cámara de 600 millones de pixeles para longitud de onda visible y otra de 65 millones de pixeles para el infrarrojo cercano, además de espectrómetros y otros equipos de alta tecnología. Uno de los objetivos de la misión es la elaboración de un catálogo de miles de millones de estrellas y galaxias con un enorme valor científico y que quedará a disposición de otros proyectos en tierra, como E-ELT, ALMA, TMT, LSST o el JWST (también en órbita solar).

La sonda estará aislada térmicamente para proteger las ópticas y equipos electrónicos, que deben operar a 240 K como máximo, y contará con unos paneles solares como fuente de energía para la estabilización y orientación del telescopio. Las comunicaciones con La Tierra se realizarán a través de La Estación de Seguimiento de Satélites de Espacio Profundo de Cebreros (Ávila – España), de la red ESTRACK de la ESA para seguimiento de satélites, permitiendo una transferencia diaria de 850 Gigabits de datos comprimidos sin pérdida. Para almacenar el gran volumen de datos que se acumulará durante las observaciones, Euclid (Figuras 44 y 45) tendrá una memoria masiva de al menos 2,6 Tbit. La sonda viajará al espacio alojada en un cohete Soyuz ST 2-1b desde el centro espacial de Kourou en la Guayana francesa (América del Sur), y tras treinta días de viaje desde la órbita de transferencia en que la situará el cohete ruso, quedará en una órbita de Halo de gran amplitud alrededor del punto de Lagrange L2 Sol-Tierra a millón y medio de kilómetros de La Tierra aproximadamente.

Figura 44: Telescopio espacial Euclid de la Agencia Espacial Europea (ESA)
Figura 45: Espejos del Telescopio espacial Euclid Agencia Espacial Europea (ESA)  

– Telescopio de Sondeo Infrarrojo de Campo Amplio (Wide Field Infrared Survey Telescope –WFIRST-), renombrado por la NASA con el nombre de Telescopio Espacial Nancy Grace Roman en honor a la primera mujer que ocupó el puesto de jefa de astronomía de la NASA, considerada la ‘madre’ del HST, el telescopio espacial más famoso y exitoso que sin el empeño y dedicación de la Dra. Nancy Grace Roman probablemente no hubiera existido. Nancy Grace Roman falleció en el año 2018. Llamado a suceder a los telescopios Hubble y James Webb, está prevista su puesta en órbita en el año 2025. Se ha diseñado para investigar cuestiones como la energía oscura, la astrofísica infrarroja, y la búsqueda de exoplanetas potencialmente habitables, tanto en sistemas planetarios como cuerpos huérfanos vagando por el frío y oscuro espacio interestelar. El telescopio espacial Nancy Grace Roman tendrá un espejo primario de 2,4 metros de diámetro (Óptica Korsch fuera de eje) con una resolución similar al HST y un campo de visión 100 veces mayor, de 0,28º (Figura 46).

Figura 46: Telescopio Nancy Grace Roman -WFIRST- (NASA)  

Tendrá dos instrumentos principales, la cámara multibanda de infrarrojo cercano de 288 megapixeles (Wide-Field Instrument) y otra cámara de campo de visión de alto contraste con un espectrómetro óptico-infrarrojo cercano que cuenta con tecnología capaz de suprimir la luz de las estrellas para permitir la detección de exoplanetas muy cercanos a su estrella anfitriona (Coronagraphic Instrument). El telescopio espacial Nancy Grace Roman estará situado más allá de La Luna, a millón y medio de km de La Tierra, en el punto de Lagrange L2 Sol-Tierra. Para que el telescopio pueda ver bien en la banda de infrarrojo debe mantenerse muy frío (a una temperatura de -178 ºC) para evitar el ‘ruido térmico’ de los propios componentes de la nave espacial, enfriamiento del que se encargará un radiador que redirigirá el calor residual lejos de los detectores hacia el frío espacio, en dirección contraria al que apuntan los instrumentos de observación.

– Telescopio espacial James Webb, proyecto conjunto de la ESA, NASA y CSA (Agencia Espacial Canadiense) en colaboración con instituciones de más de 20 países, al que se le dio el nombre inicial de ‘Next Generation Space Telescope’. Iniciado en 1996 y renombrado en el año 2002 en honor del segundo administrador de la NASA y gran impulsor del proyecto APOLO, James Edwin Webb. El JWST es el observatorio astronómico más grande jamás lanzado al espacio, con un telescopio reflector de tres espejos anastigmático tipo Korsch (Figura 47), cuyo gran espejo primario segmentado tendrá 6,5 metros de diámetro, compuesto por 18 piezas hexagonales fabricadas en berilio. 

Figura 47: Esquema de telescopio reflector de tres espejos anastigmático, muy utilizado en telescopios espaciales 

Se eligió este metal raro, y muy ligero, en lugar de los materiales vitrocerámicos habituales debido a su capacidad de mantener la forma a temperaturas criogénicas, es liviano y fuerte, buen conductor térmico y eléctrico, y no es magnético. Las piezas, de 20 kg de peso cada una (sin contar los actuadores), están recubiertas por una fina capa de oro (buen reflectante en el rango infrarrojo), ofreciendo en conjunto un área de recolección de datos 6,25 veces mayor al del espejo primario del HST al que está destinado a sustituir. Su espejo secundario tendrá 0.74 metros de diámetro (Figuras 48 y 49).

Figura 48: Recubrimiento de oro del espejo secundario del JWST (NASA-ESA-CSA) 
Figura 49: Diferencia de tamaños entre los espejos primarios del HST y del JWST (NASA)   

A diferencia de los espejos segmentados de los telescopios terrestres, para los telescopios espaciales no son tan necesarias las ópticas activas y adaptativas (aunque el espejo secundario realizará ajustes en tiempo real mediante 6 actuadores para mantener la imagen estabilizada), es suficiente la incorporación de 6 actuadores (micromotores) en cada celda hexagonal para el ajuste del espejo que solamente es necesario reajustar cada varios días, mediante breves encendidos, para mantener un enfoque óptimo. El lanzamiento del telescopio espacial JWST se realizó en un cohete Ariane 5 ECA (ESA) desde la Estación de Kourou en la Guayana Francesa el pasado día de Navidad, 25 de diciembre de 2021 a las 7:20 EST, lo que ha supuesto superar el gran desafío tecnológico de introducir un telescopio de 6,5 metros de apertura y su escudo solar aún mayor, en un cohete de 4,57 metros de diámetro para la carga útil en su etapa superior criogénica (Figuras 50 y 51).

Figura 50: Despegue del cohete Ariane 5  
Figura 51: Ariane 5 liberando el Telescopio Espacial James Webb (JWST)  

Lógicamente viajó plegado, para una vez en el espacio abrirse lentamente durante las tres primeras semanas de viaje, y desplegar su escudo térmico solar, tan grande como una pista de tenis, el espejo primario del telescopio, y resto de estructuras y componentes del JWST (Figuras 52 y 53).

Figura 52: Telescopio JWST (NASA-ESA-CSA)
Figura 53: Telescopio JWST desplegándose en el espacio, con su escudo término aún plegado (NASA)  

El pasado día 24 de enero se situó en su órbita definitiva alrededor del Sol (realmente alrededor del punto de Lagrange L2 Sol-Tierra), tal y como estaba previsto tras un mes de viaje. En el momento de escribir estas líneas se encuentra en pleno periodo de despliegue y desbloqueo de todas las piezas, calibración de instrumentos, verificaciones iniciales de la óptica y alineación del telescopio, y estabilización de la bajísima temperatura de trabajo que le permitirá trabajar con plena operatividad a partir del mes de julio de 2022, si no hay contratiempos.

El escudo térmico solar (sunshield) está compuesto por 5 finas capas (tan finas como un cabello humano) de un material denominado Kapton (poli-oxidifenileno-piromelitimida), al que se le recubre de aluminio, y que en la capa más externa que mira al Sol se le añade también silicio, confiriéndole un tono púrpura-magenta. Este material se mantiene estable entre -269 ºC y +400 ºC y su propósito es mantener el telescopio y sus instrumentos sensibles a temperaturas próximas al cero absoluto (por debajo de 50 K), para que pueda desarrollar sus observaciones en condiciones óptimas. Este sistema de enfriamiento es vital para el éxito de la misión ya que las diferencias de temperatura entre el lado caliente y el frío de la sonda son enormes, casi se podría hervir agua en el lado caliente y congelar nitrógeno en el frío (Figura 54).

Figura 54: Telescopio JWST con su escudo térmico solar desplegado y temperaturas a ambos lados del escudo. Equipos situados «al sol» y «a la sombra»    

Uno de sus objetivos científicos es el estudio de planetas extrasolares, sus condiciones y parámetros fisico-químicos, sus atmósferas y biomarcadores, y demás indicios de que puedan resultar habitables e incluso albergar vida. También se utilizará en otros ámbitos científicos como la formación de planetas, y en general analizar el estado del Universo en etapas muy tempranas, anteriores a las observadas hasta ahora. Entre los equipos que lleva el JWST justo detrás de su gran espejo primario, están la cámara NIRCam (NASA), el espectrógrafo NIRSpec (fabricación europea), y la cámara-espectrógrafo NIRISS (canadiense), que operan en la zona del espectro del infrarrojo cercano, además de otra cámara-espectrógrafo denominada MIRI (NASA-ESA) que lo hará en el infrarrojo medio.

La sonda está equipada también con el equipamiento necesario para comunicaciones, orientación, y ajustes orbitales, y será colocado en una órbita de halo en torno al punto de Lagrange L2 Sol-Tierra, a millón y medio de km de la Tierra en dirección opuesta al Sol, que le permitirá mantenerse alineado con La Tierra mientras se mueve alrededor del Sol (Figura 55).

Figura 55: Puntos de Lagrange Sol-Tierra. El JWST orbitará alrededor del Sol con el mismo periodo que La Tierra en una órbita de halo entorno a L2 

Ese punto L2 es un lugar óptimo para situar observatorios astronómicos por su estabilidad gravitatoria y eficiencia en los tiempos de observación, zona elegida por muchos proyectos de telescopios espaciales, como se ha visto anteriormente en otros proyectos de telescopios en órbita. El único gran problema es que ese lugar no es accesible para enviar astronautas para reabastecimiento de combustible, reparaciones, mantenimiento, implementar nuevos equipos, etc…. el Observatorio debe funcionar sin fallos, al 100% desde el inicio y durante todo el tiempo de su vida útil (que no puede alargarse), por lo que muchos de sus sistemas se diseñan de forma redundante para prevenir en lo posible algún mal funcionamiento que pudiera dar al traste con la misión, que tiene una duración mínima prevista de cinco años, con la esperanza de que pudiera alargar ese tiempo hasta un total de 10 años.

El tiempo total asignado para el uso del JWST pretende optimizar al máximo sus capacidades, procurando que bajo ningún concepto se produzcan ‘tiempos muertos’. Todos los científicos del mundo podrán aprovechar las capacidades únicas del telescopio, estableciéndose unas cuotas por áreas de estudio (exoplanetas, galaxias, física estelar, objetos transneptunianos…), y agrupación de actividades por regiones concretas del cielo para obtener una eficiencia máxima del Observatorio espacial. También se contemplan algunos programas destinados a eventos no previstos (como el caso del objeto interestelar Oumuamua o algunos cometas) que requieran la atención del JWST.

Conclusiones

En su afán de conocer el Universo, la Humanidad no ha dejado de plasmar su ingenio en herramientas y experimentos que poco a poco han permitido comprender mejor su entorno.

Esa curiosidad y la necesidad de explorar lo que hay más allá, nos ha llevado a visitar otros astros, a curar enfermedades, a construir máquinas, a planificar la agricultura y a modificar el medio ambiente. También es cierto que todos esos avances no siempre han supuesto una mejora, sobre todo para el resto de especies con las que compartimos La Tierra, resultando en ocasiones una amenaza para nuestra propia supervivencia, encrucijada en la que precisamente nos encontramos ahora.

Una de esas herramientas para estudiar el Cosmos ha sido el telescopio, cuya evolución hemos repasado sucintamente (Figuras 56 y 57), que nos ha permitido saber más sobre nuestros orígenes, acercar lo lejano en el espacio y lo temprano en el tiempo, y conseguir observar cómo era el Universo en sus inicios. Seguramente el desarrollo de los telescopios gigantes en los próximos decenios, y sobre todo los avances en interferometría óptica, quizá permitan ‘ver’ planetas extrasolares como ahora vemos los planetas del Sistema Solar, con sus atmósferas, sus mares y su orografía, y estudiar estrellas cercanas como ahora estudiamos el Sol.

El desarrollo tecnológico avanza exponencialmente, y en pocos años nuestra sociedad será irreconocible a los ojos de las personas con más edad, como ya empieza a pasar hoy en día. No podemos imaginar los descubrimientos que están por llegar en todos los órdenes de la Ciencia, y desde luego a las generaciones venideras les esperan insospechadas sorpresas tecnológicas que harán palidecer a los mayores logros actuales.

Figura 56: Tamaños comparativos de los espejos primarios de los mayores telescopios ópticos del mundo y de los telescopios gigantes en construcción    
Figura 57: Tamaños comparativos de los espejos primarios de algunos de los mayores y más importantes telescopios espaciales 

referencias y consultas

(Para comentarios y observaciones al autor -> carontesg@gmail.com)

Enlace a la primera parte Telescopios: de la observación a través de la atmósfera al espacio. Parte I

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