Astronomia Proxima Decada

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    03-Oct-2015
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La astronomia para la proxima decada documento de Rafael Martinez Galarza

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  • Captulo 1Astronoma en la proxima decada.Del Hubble al Telescopio EspacialJames Webb

    Juan Rafael Martnez Galarza

    Universidad de Leiden, Pases Bajos.

    C uatrocientos anos despues de las primeras observaciones telescopicas de Galileo, sera difcilpensar en la astronoma moderna sin los instrumentos que utilizamos en la actualidad paraestudiar los cuerpos del Universo, desde los planetas de nuestro Sistema Solar, nuestros masproximos vecinos en terminos cosmicos, hasta las galaxias mas remotas del Universo temprano.En particular, la generacion de telescopios puestos en orbita que comenzo con el TelescopioEspacial Hubble a principios de los anos 90s y que se extiende en la siguiente decada con elTelescopio Espacial James Webb, ha aportado en veinte anos de descubrimientos mas datosastronomicos que todos los telescopios que les precedieron juntos. Pero, que es un telescopioespacial? Por que la humanidad se ha aventurado a instaladar observatorios astronomicos enel espacio, con los costos y riesgos que ello implica? Con el reciente lanzamiento del TelescopioEspacial Herschel y la puesta a punto del Telescopio Espacial James Webb, con una fecha delanzamiento prevista para el final de la decada, estas preguntas no podran ser mas pertinentespara la astronoma contemporanea.

    1.1. Que es un telescopio espacial?

    Podemos pensar en un telescopio espacial de dos maneras: como un satelite artificial adap-tado para hacer observaciones astronomicas, o como un telescopio adaptado para hacer observa-

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  • 2CAPITULO 1. ASTRONOMIA EN LA PROXIMA DECADA. DEL HUBBLE AL TELESCOPIO ESPACIAL JAMES

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    ciones desde el espacio. Cualquiera que sea la definicion que adoptemos, un telescopio espacialcomo el Hubble (luz visible), el Spitzer (infrarrojo cercano), el Chandra (rayos X) o el Obser-vatorio Espacial Herschel (infrarrojo lejano), tienen una serie de elementos en comun. Comocualquier instrumento astronomico moderno, un telescopio espacial cuenta con un sistema op-tico, descendiente directo de los pequenos lentes usados por Galileo, que le permite recolectarla luz proveniente de los cuerpos astronomicos. El principal elemento optico en los telescopiosmodernos es el espejo principal, una superficie concava reflectora que enfoca la luz y la dirigehacia un plano focal donde se forma la imagen y donde se lo calizan los instrumentos cientficos.Si pensamos en el telescopio como un ojo humano, el espejo principal sera el cristalino, y losinstrumentos opticos la retina. Son estos instrumentos los que registran la radiacion recibida yla almacenan como datos astronomicos, para su analisis cientfico. Finalmente, un conjunto deinstrumentos de comunicaciones se encarga de enviar los datos recolectados a los astronomos enla Tierra.

    Cuando a mediados del siglo XX Lyman Spitzer propuso por primera vez la instalacion deun telescopio en el espacio, la comunidad cientfica lo tomo como una propuesta descabellada. Nosolo por los enormes costos que significaba lanzar al espacio miles de kilogramos de instrumentosopticos y electronicos, sino por el aun mas ambicioso reto tecnico que ello implicara. El telescopiono solo tendra que sobrevivir al lanzamiento en un cohete cargado de combustible, sino queademas cada uno de sus componentes tendra que funcionar a la perfeccion para garantizar datosastronomicos de calidad. As que la pregunta mas natural que se hicieron los astronomos de laepoca fue: por que lanzar un telescopio al espacio si podemos hacer observaciones astronomicasdesde la Tierra? En la respuesta a esa pregunta esta no solo la esencia de la astronoma hechadesde el espacio, sino tambien el secreto de la era de oro de la ciencia del Universo.

    La primera razon para lanzar un observatorio al espacio tiene que ver con la absorcion deradiacion electromagnetica por parte de la atmosfera terrestre. Si bien nuestra atmosfera estransparente para la luz visible que detenctan nuestros ojos, no es este el unico tipo de radia-cion que producen los cuerpos astronomics. Por ejemplo, la radiacion de estrellas masivas reciennacidas calienta los granos de polvo presentes en el medio interestelar, y estos a su vez emitenesta energa en forma de radiacion infrarroja invisible al ojo humano. Esta radiacion infrarrojaes absorbida y dispersada por las moleculas de gas en la atmosfera y no alcanza nuestros teles-copios terrestres, y por lo tanto solo podemos tener acceso a ella si observamos desde el espacio.En la Figura 1.1 ilustramos la absorcion de la atmosfera en diferentes regiones del espectro.Mientras que la luz visible, indicada por los colores del arco iris, y las ondas de radio atraviesanla atmosfera y pueden ser detectadas en tierra, las indas infrarrojas y los rayos X son absorbidosy nunca nos alcanzan. Es all donde los telescopios espaciales juegan un papel importante.

    La atmosfera no solo absorbe y dispersa la radiacion electromagnetica, sino que ademasla distorsiona. Los movimientos aleatorios de las moleculas de aire deforman las imagenes quenos llegan del espacio, y que de otra manera sera detectadas de manera mas ntida por lostelescopios en tierra. La distorsion de una imagen debida a la turbulencia atmosferica se conoce enastronoma como seeing. Aunque la ultima generacion de telescopios terrestres, tales como el Very

  • 1.1. QUE ES UN TELESCOPIO ESPACIAL? 3

    Figura 1.1: Opacidad de la atmosfera para diferenets longitudes de onda. Las ventanas a traves de las cuales la radiacionnos alcanza en la tierra se reducen a la luz visible y las ondas de radio. Los telescopios espaciales cubren los demas rangos.Credito NASA.

    Large Telescope (VLT), incluyen tecnologas que corrigen este tipo de distorsion mediante espejosdeformables que compensan el seeing, la optica adicional necesaria es costosa y complicada, ypor supuesto solo funciona en aquellas longitudes de onda que logran atravesar la atmosferaterrestre. La imagen 1.2 revela la notable diferencia en la calidad y la resolucion de una imagenhecha desde el espacio, en comparacion con la misma observacion hecha en tierra. Las zonas rojasen esta imagen de la galaxia M83 se deben a la emision de radiacion por parte del gas ionizado,producto del intenso campo de radiacion de estrellas masivas que se han formado recientemente.

    Otra justificacion para lanzar un telescopio espacial tiene que ver con el hecho de que granparte de las observaciones astronomicas que son de relevancia para la astrofsica actual, debenhacerse en la region infrarroja del espectro electromagnetico. Los objetos que son mas brillantesen luz infrarroja son aquellos con temperaturas entre 20 y 600 grados Kelvin. Esto correspondejustamente con la temperatura a la que se encuentran mucho objetos en la Tierra, y de hecho elSol mismo es una fuente muy intensa de radiacion infrarroja, y por lo tanto de interferencia paranuestras observaciones astronomicas. Conviene entonces lanzar el telescopio a una region dondeel Sol y la Tierra no sean una fuente de interferencia para las observaciones, es decir, a un lugarfrio. Esto se logra, por ejemplo, en el llamado punto de Lagrange numero 2 (L2), que correspondea un punto de equilibrio en la gravedad del sitema Sol-Tierra. Para un objecto colocado cerca deL2, la Tierra y el sol estan siempre en la misma direccion, as que la calibracion y la proteccioncontra posibles interferencias es mucho mas facil. El Telescopio Espacial Herschel, por ejemplo,se encuentra en este lugar priviliegiado, y hacia all tambien sera lanzado el Telescopio EspacialJames Webb al final de la decada.

    En terminos puramente observacionales, lo que buscamos con cada nuevo telescopio espaciales aumentar la sensitividad con que observamos el Universo. Esto se traduce en objectos cada vezmenos brillantes que nuestros instrumentos traen al alcance de nuestra capacidad analtica. Estosobjetos pueden ser lejanas galaxias en proceso de formacion, u objetos mas cercanos que por

  • 4CAPITULO 1. ASTRONOMIA EN LA PROXIMA DECADA. DEL HUBBLE AL TELESCOPIO ESPACIAL JAMES

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    Figura 1.2: Comparacion en la resolucion de la galaxia M83, para un telescopio en Tierra y el telesocpio espacial Hubble.Notese el gran detalle con que se observan las zonas oscuras donde la radiacion de estrellas recien formadas es absorbidapor el polvo interestela. Credito: NASA, ESA

    naturaleza son opacos, como es el caso de los planetas extrasolares. En epocas pre-telescopicas,nuestra sensitividad observacional estaba limitada por la capacidad de nuestro ojo humano. Casiningun objeto fuera de nuestra galaxia era visible a los ojos de los hombres anteriores a Galileo,e incluso la gran mayora de la estrellas de la galaxia eran invisibles desde la Tierra. Con lapaulatina introduccion de instrumentos mas poderosos, nuestros ojos ya no fueron el lmite. As,Galileo logro observar con su telescopio objetos que eran casi 100 veces menos brillantes quelas estrellas visibles a simple vista. La deteccion fotografica en la primera mitad del siglo XXpermitio la deteccion de objetos un millon de veces menos brillantes que las estrellas que vemosen la noche mas lmpida de Villa de Leyva. Y con el Telescopio Espacial Hubble, hoy en dapodemos observar objetos que son 10 mil millones de veces menos brillantes. La historia no sedetiene all. El sucesor del Hubble, el Telescopio Espacial James Webb, podra observar objetosque son mil veces menos brillantes que aquellos observados por el Hubble.

    Se han expuesto aqu hasta ahora las razones para poner un telescopio en el espacio, ascomo algunos de los retos tecnicos que ello implica. Hablemos ahora de los costos. Cual es elcosto de enviar un observatorio astronomico al espacio y de mantenerlo en operacion por variosanos? En la actualidad ninguna nacion en solitario puede asumir los gastos de una operacionde esta talla, y quienes han puesto hasta el momento telescopios en el espacio son consorcios denacione