6.5: Observaciones fuera de la atmósfera terrestre

Objetivos de aprendizaje

Al final de la sección, podrás:

• Enumerar las ventajas de hacer observaciones astronómicas desde el espacio
• Explicar la importancia del Telescopio Espacial Hubble
• Describir algunos de los principales observatorios espaciales que utilizan los astrónomos

La atmósfera terrestre bloquea la mayor parte de la radiación a longitudes de onda más cortas que la luz visible, por lo que solo podemos hacer observaciones directas de rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma desde el espacio (aunque las observaciones indirectas de rayos gamma se pueden hacer desde la Tierra). Superar los efectos distorsionadores de la atmósfera también es una ventaja en longitudes de onda visibles e infrarrojas. Las estrellas no “centellean” en el espacio, por lo que la cantidad de detalles que puedes observar está limitada solo por el tamaño de tu instrumento. Por otro lado, es costoso colocar telescopios en el espacio, y las reparaciones pueden presentar un gran desafío. Es por ello que los astrónomos continúan construyendo telescopios para su uso en el suelo así como para lanzarlos al espacio.

Telescopios de infrarrojos aerotransportados y espaciales

El vapor de agua, principal fuente de interferencia atmosférica para realizar observaciones infrarrojas, se concentra en la parte inferior de la atmósfera terrestre. Por esta razón, una ganancia de hasta unos pocos cientos de metros de elevación puede marcar una diferencia importante en la calidad de un sitio de observatorio infamado. Dadas las limitaciones de las altas montañas, la mayoría de las cuales atraen nubes y tormentas violentas, y el hecho de que la capacidad de los humanos para realizar tareas complejas se degrada a gran altura, era natural que los astrónomos investigaran la posibilidad de observar ondas infrarrojas desde aviones y finalmente desde el espacio.

Las observaciones infrarrojas desde aviones se han realizado desde la década de 1960, comenzando con un telescopio de 15 centímetros a bordo de un Learjet. De 1974 a 1995, la NASA operó un telescopio aerotransportado de 0.9 metros que volaba regularmente fuera del Centro de Investigación Ames al sur de San Francisco. Observando desde una altitud de 12 kilómetros, el telescopio estuvo por encima del 99% del vapor de agua atmosférico. Más recientemente, la NASA (en asociación con el Centro Aeroespacial Alemán) ha construido un telescopio mucho más grande de 2.5 metros, llamado Observatorio Stratosférico de Astronomía Infrarroja (SOFIA), que vuela en un Boeing 747SP modificado (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura Observatorio\(\PageIndex{1}\) Stratosférico de Astronomía Infrarroja (SOFIA). SOFIA permite realizar observaciones por encima de la mayor parte del vapor de agua atmosférico de la Tierra.

Para saber más sobre SOFIA, mira este video proporcionado por el Centro de Investigación de Vuelos Armstrong de la NASA.

Llegar aún más alto y hacer observaciones desde el propio espacio tienen importantes ventajas para la astronomía infrarroja. Primero es la eliminación de toda interferencia de la atmósfera. Igualmente importante es la oportunidad de enfriar todo el sistema óptico del instrumento para casi eliminar la radiación infrarroja del propio telescopio. Si intentáramos enfriar un telescopio dentro de la atmósfera, rápidamente se cubriría con vapor de agua condensante y otros gases, haciéndolo inútil. Solo en el vacío del espacio se pueden enfriar los elementos ópticos a cientos de grados por debajo del punto de congelación y seguir funcionando.

El primer observatorio infrarrojo en órbita, lanzado en 1983, fue el Satélite Astronómico Infrarrojo (IRAS), construido como un proyecto conjunto por Estados Unidos, los Países Bajos y Gran Bretaña. IRAS estaba equipado con un telescopio de 0.6 metros enfriado a una temperatura inferior a 10 K. Por primera vez, el cielo infrarrojo se podía ver como si fuera de noche, en lugar de a través de un brillante primer plano de emisiones atmosféricas y telescópicas. IRAS realizó un estudio rápido pero exhaustivo de todo el cielo infrarrojo durante un periodo de 10 meses, catalogando alrededor de 350 mil fuentes de radiación infrarroja. Desde entonces, varios otros telescopios infrarrojos han operado en el espacio con mucha mejor sensibilidad y resolución debido a las mejoras en los detectores de infrarrojos. El más potente de estos telescopios infrarrojos es el Telescopio Espacial Spitzer de 0.85-metros, que se lanzó en 2003. Algunas de sus observaciones se muestran en la Figura\(\PageIndex{2}\). Con observaciones infrarrojas, los astrónomos pueden detectar partes más frías de objetos cósmicos, como las nubes de polvo alrededor de los viveros estelares y los restos de estrellas moribundas, que las imágenes de luz visible no revelan.

Figura\(\PageIndex{2}\) Observaciones desde el Telescopio Espacial Spitzer (SST). Estas imágenes infrarrojas —una región de formación estelar, el remanente de una estrella explotada y una región donde una vieja estrella está perdiendo su capa exterior— muestran solo algunas de las observaciones realizadas y transmitidas de regreso a la Tierra desde el SST. Como nuestros ojos no son sensibles a los rayos infrarrojos, no percibimos los colores de ellos. Los colores en estas imágenes han sido seleccionados por los astrónomos para resaltar detalles como la composición o la temperatura en estas regiones. (crédito “Nebulosa de la llama”: modificación de obra de la NASA (rayos X: NASA/CXC/PSU/K.Getman, E.Feigelson, M.Kuhn y el equipo MyStix; infrarrojo:NASA/JPL-Caltech); crédito “Casiopeia A”: modificación de obra por NASA/JPL-Caltech; crédito “Helix nebula”: modificación de obra por NASA/JPL-Caltech Tech)

Telescopio espacial Hubble

En abril de 1990 se dio un gran salto adelante en astronomía con el lanzamiento del Telescopio Espacial Hubble (HST). Con una apertura de 2.4 metros, este es el telescopio más grande puesto en el espacio hasta el momento. (Su apertura estaba limitada por el tamaño de la bahía de carga útil en el Transbordador Espacial que servía como su vehículo de lanzamiento). Fue llamado así por Edwin Hubble, el astrónomo que descubrió la expansión del universo en la década de 1920 (cuyo trabajo discutiremos en los capítulos sobre Galaxias).

HST es operado conjuntamente por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA y el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore. Fue el primer observatorio orbital diseñado para ser atendido por astronautas de Shuttle y, a lo largo de los años desde su lanzamiento, realizaron varias visitas para mejorar o reemplazar sus instrumentos iniciales y reparar algunos de los sistemas que operan la nave espacial (Figura del Capítulo) —aunque este programa de reparación tiene ahora ha sido descontinuado, y no se realizarán más visitas o mejoras.

Con el Hubble, los astrónomos han obtenido algunas de las imágenes más detalladas de objetos astronómicos desde el sistema solar hacia afuera hasta las galaxias más distantes. Entre sus muchos grandes logros se encuentra el Campo Ultra-Profundo Hubble, imagen de una pequeña región del cielo observada durante casi 100 horas. Contiene vistas de unas 10 mil galaxias, algunas de las cuales se formaron cuando el universo tenía apenas un poco por ciento de su edad actual (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\) Hubble Campo Ultra-Profundo (HUDF). El Telescopio Espacial Hubble ha proporcionado una imagen de una región específica del espacio construida a partir de datos recopilados entre el 24 de septiembre de 2003 y el 16 de enero de 2004. Estos datos nos permiten buscar galaxias que existían hace aproximadamente 13 mil millones de años.

El espejo del HST fue rectificado y pulido con un notable grado de precisión. Si tuviéramos que escalar su espejo de 2.4 metros al tamaño de todo el territorio continental de Estados Unidos, no habría colina o valle de más de unos 6 centímetros en su superficie lisa. Desafortunadamente, después de su lanzamiento, los científicos descubrieron que el espejo primario tenía un ligero error en su forma, igual a aproximadamente 1/50 del ancho de un cabello humano. Por pequeño que eso suene, bastó para asegurar que gran parte de la luz que entraba al telescopio no llegara a un enfoque claro y que todas las imágenes fueran borrosas. (En un esfuerzo fuera de lugar por ahorrar dinero, no se había realizado una prueba completa del sistema óptico antes del lanzamiento, por lo que no se descubrió el error hasta que HST estuvo en órbita).

La solución fue hacer algo muy parecido a lo que hacemos para los estudiantes de astronomía con visión borrosa: poner la óptica correctiva frente a sus ojos. En diciembre de 1993, en una de las misiones espaciales más emocionantes y difíciles jamás voladas, los astronautas capturaron el telescopio en órbita y lo devolvieron a la bahía de carga útil del transbordador. Allí instalaron un paquete que contenía óptica compensadora así como una cámara nueva y mejorada antes de volver a liberar HST a la órbita. El telescopio ahora funciona como se pretendía, y otras misiones al mismo pudieron instalar instrumentos aún más avanzados para aprovechar sus capacidades.

Observatorios de Alta Energía

Las observaciones de rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma directos (ondas electromagnéticas de alta energía) solo se pueden hacer desde el espacio. Tales observaciones se hicieron posibles por primera vez en 1946, con cohetes V2 capturados desde Alemania después de la Segunda Guerra Mundial. El Laboratorio de Investigación Naval de Estados Unidos colocó instrumentos en estos cohetes para una serie de vuelos pioneros, utilizados inicialmente para detectar la radiación ultravioleta del Sol. Desde entonces, se han lanzado muchos otros cohetes para realizar observaciones de rayos X y ultravioleta del Sol, y posteriormente de otros objetos celestes.

A partir de la década de 1960, se ha puesto en órbita un flujo constante de observatorios de alta energía para revelar y explorar el universo a longitudes de onda cortas. Entre los telescopios de rayos X recientes se encuentra el Observatorio de Rayos X Chandra, que se lanzó en 1999 (Figura\(\PageIndex{4}\)). Está produciendo imágenes de rayos X con una resolución y sensibilidad sin precedentes. Diseñar instrumentos que puedan recolectar y enfocar radiación energética como los rayos X y los rayos gamma es un enorme desafío tecnológico. El Premio Nobel de Física 2002 fue otorgado a Riccardo Giacconi, pionero en el campo de la construcción y lanzamiento de sofisticados instrumentos de rayos X. En 2008, la NASA lanzó el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, diseñado para medir los rayos gamma cósmicos a energías mayores que cualquier telescopio anterior, y así poder recolectar radiación de algunos de los eventos más energéticos del universo.

Figura\(\PageIndex{4}\) Chandra Satélite de Rayos X. Chandra, el telescopio de rayos X más potente del mundo, fue desarrollado por la NASA y lanzado en julio de 1999.

Un reto importante es diseñar “espejos” para reflejar una radiación tan penetrante como los rayos X y los rayos gamma, que normalmente pasan directamente a través de la materia. Sin embargo, aunque los detalles técnicos del diseño son más complicados, los tres componentes básicos de un sistema de observación, como explicamos anteriormente en este capítulo, son los mismos en todas las longitudes de onda: un telescopio para recoger la radiación, filtros o instrumentos para clasificar la radiación según la longitud de onda, y algún método de detección y registro permanente de las observaciones. En la tabla se\(\PageIndex{1}\) enumeran algunos de los observatorios espaciales activos más importantes que la humanidad ha puesto en marcha.

Las detecciones de rayos gamma también se pueden hacer desde la superficie de la Tierra usando la atmósfera como detector principal. Cuando un rayo gamma golpea nuestra atmósfera, acelera las partículas cargadas (en su mayoría electrones) en la atmósfera. Esas partículas energéticas chocan con otras partículas de la atmósfera y emiten su propia radiación. El efecto es una cascada de luz y energía que se puede detectar en el suelo. La matriz VERITAS en Arizona y la matriz H.E.S.S. en Namibia son dos de estos observatorios terrestres de rayos gamma.

Figura\(\PageIndex{1}\): Observatorios recientes en el espacio

Observatorio	Fecha de inicio de la operación	Bandas del Espectro	Notas	Sitio web
Telescopio Espacial Hubble (HST)	1990	visible, UV, IR	Espejo de 2,4 m; imágenes y espectros	www.hubblesite.org
Observatorio de Rayos X Chandra	1999	Rayos X	Imágenes y espectros de rayos X	www.chandra.si.edu
XMM-Newton	1999	Rayos X	Espectroscopia de rayos X	http://www.cosmos.esa.int/web/xmm-newton
Laboratorio Internacional de Astrofísica de Rayos Gamma	2002	Rayos X y gamma	imágenes de rayos gamma de mayor resolución	http://sci.esa.int/integral/
Telescopio espacial Spitzer	2003	IR	Telescopio 0.85-m	www.spitzer.caltech.edu
Telescopio espacial de rayos gamma Fermi	2008	rayos gamma	primeras observaciones de rayos gamma de alta energía	fermi.gsfc.nasa.gov
Kepler	2009	visible-luz	buscador de planetas	kepler.nasa.gov
Explorador de topografía infrarroja de campo amplio (WISE)	2009	IR	mapa de cielo entero, búsquedas de asteroides	www.nasa.gov/mission_pages/wise/main
Gaia	2013	visible-luz	Mapa preciso de la Vía Láctea	http://sci.esa.int/gaia/
Satélite de prospección de exoplanetas en tránsito (TESS)	2018	visible-luz	buscador de planetas	http://tess.mit.edu

Resumen

Las observaciones infrarrojas se realizan con telescopios a bordo de aviones y en el espacio, así como desde instalaciones terrestres en picos secos de montañas. Las observaciones de rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma deben realizarse desde arriba de la atmósfera. Muchos observatorios orbitantes han sido volados para observar en estas bandas del espectro en las últimas décadas. El telescopio de mayor apertura en el espacio es el telescopio Hubble Space (HST), el telescopio infrarrojo más significativo es Spitzer, y Chandra y Fermi son los principales observatorios de rayos X y rayos gamma, respectivamente.