Nuevas tecnologías que nos ayudarán a entender mejor el Universo

La astronomía lleva más de 4,000 años transformando la forma en que percibimos nuestro lugar en el cosmos. Hace tan solo 400 años, la mayor parte de la humanidad creía que la Tierra era el centro del Universo y que el Sol y los planetas orbitaban alrededor de nosotros. Y solo en los últimos 30 años, la última generación de telescopios terrestres y espaciales ha demostrado que hay planetas por todo el Universo.

Como si fuera poco, cerca del 20 % de las estrellas de la Vía Láctea—nuestra galaxia—son orbitadas por planetas “habitables”, es decir, que tienen la temperatura ideal para contener agua líquida, un ingrediente clave para la existencia de la vida. Esto se traduce en cerca de 40.000 millones de mundos potencialmente habitables solo en nuestra galaxia. Para poner estos datos en contexto, el hallazgo del primer exoplaneta se confirmó hace poco más de 30 años gracias a una técnica revolucionaria que mide pequeños movimientos “temblorosos” de una estrella, causados por la atracción gravitacional que se genera entre la estrella y algún planeta que orbita alrededor de ella. Desde que se alcanzó ese hito científico, ha habido muchas sorpresas. Por ejemplo, pareciera que la Tierra es un tipo de planeta más bien raro, y que son más comunes los grandes planetas gaseosos. Esto significa que encontrar y estudiar los planetas rocosos y potencialmente habitables será una tarea ardua. Y detectar vida en uno de esos planetas será aún más difícil, puesto que la única forma de lograrlo es identificar biofirmas fundamentales, es decir, moléculas generadas por la presencia de la vida. El Telescopio Magallanes Gigante desempeñará un papel clave en esa búsqueda.

La Importancia de la Luz Visible

Los planetas, las estrellas y las galaxias, entre otros astros, emiten y reflejan radiación electromagnética en forma de fotones con un amplio rango de valores energéticos. Algunos de ellos los podemos ver con nuestros ojos; otros, no. Para explorar el Universo, los científicos estudian la luz en todos los niveles de energía (o longitudes de onda), desde los más altos (rayos X) hasta los más bajos (ondas de radio), y todo lo que hay entremedio. Los telescopios como el Telescopio Magallanes Gigante y el Telescopio Espacial James Webb estudian las porciones visible e infrarroja del espectro, donde se pueden detectar muchas moléculas generadas por la presencia de vida. Algunas moléculas clave solo pueden detectarse en el espectro visible, es decir, el que podemos ver con nuestros ojos.

Algunos aspectos fundamentales para la existencia de la vida son la composición, la temperatura y la ubicación de un planeta. Los planetas capaces de albergar vida son planetas antiguos que han alcanzado a enfriarse desde que se formaron y donde ha transcurrido tiempo suficiente para que surja y se desarrolle la vida. Como no emiten luz propia, son planetas tenues, que solo reflejan la luz de su estrella, al igual que la Tierra o nuestra Luna, que reflejan la luz del sol. De ahí que, desafortunadamente, los planetas más fríos y antiguos sean más difíciles de detectar que los planetas jóvenes y calientes que irradian un fuerte brillo debido a su propio calor. Para detectar y estudiar estos tenues, fríos y rocosos planetas, se necesita un gran espejo que pueda captar luz suficiente para verlos y que ofrezca una resolución espacial lo suficientemente grande como para observar el planeta y su estrella por separado. Una verdadera proeza tecnológica.

El espectro de luz visible es fundamental para estudiar exoplanetas y detectar señales de vida. Los planetas jóvenes y calientes son brillantes en longitudes de onda infrarrojas, y el Telescopio Espacial James Webb es una excelente herramienta para observar en esa porción del espectro y detectar moléculas en la atmósfera de los planetas calientes. En tanto, los planetas similares a la Tierra que podrían albergar vida son fríos y rocosos, con lo cual emiten poca radiación infrarroja. Al ser sensible a la luz visible, el Telescopio Magallanes Gigante es ideal para detectar moléculas generadas por la presencia de vida en la atmósferas de los planetas fríos.

La proeza tecnológica empieza en la óptica adaptativa, que revierte el efecto borroso de la atmósfera terrestre para obtener la resolución espacial que tendría el telescopio si no hubiera atmósfera. Al estar dotado de la tecnología óptica adaptativa más avanzada que se haya diseñado a la fecha, el Telescopio Magallanes Gigante podrá distinguir entre la luz visible emitida por una estrella y la atmósfera de un planeta de tipo terrestre. Otra hazaña tecnológica que se llevará a cabo es el uso de coronografía, un tipo de enmascaramiento similar a lo que hacemos cuando tapamos la luz del sol con nuestra mano para mirar un pájaro que vuela en el cielo. Luego, mediante una serie de cámaras y espectrógrafos de alta resolución, el Telescopio Magallanes Gigante medirá el contenido molecular de la atmósfera del planeta. Aunque toda molécula, como el oxígeno, puede originarse en procesos ajenos a la vida, ciertas combinaciones moleculares, conocidas como biofirmas, pueden delatar la presencia de vida en un planeta. Y la sensibilidad, la resolución espacial y la longitud de onda con las que trabajará el Telescopio Magallanes Gigante serán claves para detectar las biofirmas que buscamos.

Avances en las Tecnologías Que Permiten Buscar Vida

El Dr. Andrew Szentgyorgyi es astrofísico del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica e investigador principal del instrumento Large Earth Finder del Telescopio Magallanes Gigante. El Dr. Szentgyorgyi se especializa en espectroscopía estelar óptica de alta dispersión con énfasis en mediciones precisas de velocidades radiales de las estrellas.

El Dr. Szentgyorgyi, científico del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, dirige el equipo a cargo de construir el primer instrumento que se pondrá en marcha en el Telescopio Magallanes Gigante: el Large Earth Finder. Se trata de un espectrógrafo ultrapreciso diseñado para encontrar planetas similares a la Tierra a partir de la atracción gravitacional que estos ejercen sobre su estrella, basándose en la Tercera Ley de Newton, que establece el principio de acción y reacción equivalente. Este instrumento también nos permitirá detectar biofirmas. En concreto, el Gran Buscador de Planetas Terrestres se dedicará a medir la química atmosférica de los exoplanetas situados en zonas habitables en busca de moléculas como el metano y el oxígeno.

Renderización de la estructura de 12 pisos de altura del Telescopio Magallanes Gigante con los instrumentos destacados al interior del rotador de instrumento gregoriano en el centro de la estructura (izquierda), y vista del interior del Large Earth Finder (derecha).

Al igual que un chasis de automóvil, el armazón óptico del espectrógrafo acoge todos los elementos ópticos, incluidas las cámaras que registran los datos. El armazón está hecho de polímeros reforzados con fibra de carbono producidos por Northrup Grumman Innovation Systems, el mismo material que se usó en el Telescopio Espacial Hubble y el Telescopio Espacial James Webb. El Dr. Szentgyorgyi explica: “Es algo muy complejo. El desafío está en controlar la temperatura del material y anular la expansión. Para eso, usamos un epoxi especial, y la verdadera magia consiste en lograr la fórmula perfecta para que la tela de fibra de carbono y el pegamento puedan interactuar y repelerse apenas lo suficiente como para que, al calentarse y enfriarse, se compensen y no se expandan ni se contraigan. Es todo un arte.” El material del armazón óptico debe ser extremadamente preciso, puesto que “un error del tamaño del diámetro de un cabello humano impediría a las cámaras enfocar la luz.” El armazón óptico está programado para quedar listo a comienzos del próximo año, con el sistema óptico reflector y el sistema óptico refractario de la cámara roja instalados.

Componentes del armazón óptico que albergará el Large Earth Finder del Telescopio Magallanes Gigante siendo fabricados en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica.

“Dos de los sistemas más complejos que tenemos que construir son la cámara roja y la cámara azul,” señala el Dr. Szentgyorgyi. Cuando el telescopio, que tiene 25.4 metros de diámetro, envía luz al Gran Buscador de Planetas Terrestres, el instrumento “lo dobla todo, no es una estructura muy prolongada; el haz es compactado para luego ser dividido en luz roja y luz azul.” A continuación, se dirige la luz hacia una cámara roja o una cámara azul que usa dispositivos de carga acoplada (CCD, en su sigla en inglés) para terminar de capturar la imagen. “Los CCD son como los dispositivos que hay en un iPhone, pero mucho más grandes.”

Bill Podgorski, jefe de ingeniería de sistemas, en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica con los siete lentes de la cámara roja empacados. Los lentes fueron desarrollados por Nikon para ser instalados en el Large Earth Finder del Telescopio Magallanes Gigante.

Uno de los siete lentes desarrollados por Nikon que se instalarán en la cámara roja del Large Earth Finder del Telescopio Magallanes Gigante en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica.

Actualmente se está avanzando a grandes pasos con la cámara roja. Nikon terminó de fabricar los lentes en 2021, mientras que la construcción del engaste concluyó en 2023. Al igual que los lentes de las cámaras de foto, los lentes de la cámara roja se montarán en el engaste. A fines de 2023 debiera quedar lista toda la estructura. El Dr. Szentgyorgyi explica: “Una función muy específica de la cámara roja en la búsqueda de planetas similares a la Tierra es detectar la presencia de oxígeno diatómico en las atmósferas de dichos planetas, que se distingue por su luz roja.”

El Telescopio Magallanes Gigante buscará y estudiará planetas habitables en longitudes de onda visibles e infrarrojas, que permiten determinar si la existencia de moléculas en la atmósfera de un planeta se debe a la presencia de vida. Por primera vez, hay perspectivas reales de encontrar vida en otros lugares del Universo en las próximas décadas.

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