Conferencia de la Astronómica de Sabadell. Noemí Pinilla, 16 de mayo de 2018.
¿Por qué exploramos? Esta pregunta se puede aplicar no solo al Sistema Solar y a la astronomía, si no a los antiguos, a sus riesgos al descubrir, por ejemplo, el Amazonas, a nosotros mismos al probar nuevas cosas.
Se lo preguntamos, primero, a las mayores agencias exploradoras en astrofísica. Por ejemplo, en la página web de la NASA, una de las frases que podemos encontrar es “The human desire for exploration leads to discovery”, el deseo humano por explorar que conduce al descubrimiento. Por lo tanto, la respuesta es que ellos exploran para descubrir. En la página web de la ESA, encontramos una respuesta un poco más elaborada, pero que viene a justificar también la exploración por el conocimiento. Si vamos a la agencia japones, JAXA, parece no haber una respuesta tan clara, y habla del desarrollo, la mejora de la vida y el conocimiento en Japón y toda la humanidad. Por tanto, de esta manera justifican las diferentes agencias este deseo e inversión tanto de capital como humano en la exploración.
Entonces, vayamos a preguntar a las fuentes. Giordano Bruno es un científico de finales del siglo XVI, que predicaba sus teorías, hablaba de la multiplicidad de los mundos que no le llevó a muy bien final: sufrió un juicio de la inquisición que duró unos 7 años y al final del cual fue ajusticiado de manera bastante triste. Las malas acciones que le llevaron a esta situación fue decir que las estrellas eran soles distantes con sus respectivos planetas, que incluso podrían albergar vida, y que el universo no era finito, si no infinito y no había ningún cuerpo en el centro. Esto era un reto, era poner en cuestión las teorías ptolemaicas que imperaban en la época en las que la Tierra era el centro del Universo, creado para que todos fuéramos perfectos. Entonces, si pudiéramos dirigirle nuestra pregunta a Giordano Bruno, puede que después de 7 años de juicio él mismo se hubiese preguntado por qué había llegado a esa situación. De hecho llegó a renunciar a muchas de sus tesis, pero nunca a la multiplicidad de los mundos. Él decía que el intelecto nunca está satisfecho con ninguna verdad a su alcance, si no que persigue sin descanso la verdad que no está a su alcance. Entonces, para Giordano Bruno, para que el objetivo de explorar es el conocimiento, la búsqueda de la verdad y la ampliación de nuestra visión y nuestro entendimiento.
Al largo de esta conferencia elaboraremos nuestra propia respuesta a la pregunta de por qué exploramos, primero entendiendo la observación (telescopios y misiones) y finalmente hablando del programa “New Horizons”.
Para los científicos, un telescopio es un instrumento que colecciona fotones, que nos dan toda la información. Dependiendo del fenómeno físico que se quiera observar, se trabaja en una cierta longitud de onda, y el diseño del telescopio resulta diferente. Si observamos en el óptico y en el visible, que es lo más típico desde la superficie de la Tierra, entonces tendremos un diseño tradicional, en el que el espejo se encuentra cerrado dentro de una cúpula, casi siempre blanca para evitar que se caliente, situada en lugares con baja humedad y una atmósfera estable, como desiertos en elevación o sierras. Con espejos no segmentados (de una sola pieza), se puede conseguir llegar a telescopios de hasta 8m, manteniendo la mejor calidad. Por supuesto, el tamaño del espejo es proporcional a la cantidad de luz que podemos recoger, a lo lejos que se puede llegar y a la debilidad de la observación. En un futuro no muy lejano, se instalará un telescopio de 30m con un espejo con más de 10m de diámetro, formado por distintos módulos (pequeños espejos) de forma que el área colectora total sea unos 30m.
Figura 1. ELT (Extremely Large Telescope)
Si queremos observar en altas energías, por ejemplo explosiones muy energéticas como la de una supernova, el diseño del telescopio es muy diferente. También están compuestos por espejos, pero observan el resultado de la interacción de explosiones de alta energía con nuestra atmósfera. Cuando llegan explosiones unidireccionales, como un rayo gama, a nuestra atmósfera, se produce una especie de reacción en cadena que resulta en una ducha que cubre cierta área de la superficie. Entonces, es importante tener un conjunto de telescopios (telescopios Cherenkov) y que cada uno de los espejos tenga su propio detector con su propio contador de energía, no como en un espejo segmentado en que todos los segmentos actúan al final como un solo espejo con un solo detector. Son telescopios de unos 17m (figura 2).
Figura 2. Telescopios Cherenkov
Finalmente, tenemos los radiotelescopios. En concreto, en Arecibo, las áreas de la física son la astrofísica, el estudio de nuestra propia atmósfera, también el estudio de la habitabilidad de exoplanetas y observaciones en radar, en las que se emite una señal que rebota contra la superficie de un asteroide cercano a la Tierra y así, por efecto Doppler, se estudia la forma del asteroide. El telescopio de Arecibo tiene unos 300m de diámetro (figura 3).
Figura 3. Radiotelescopio de Arecibo
El problema que tiene observar desde Tierra es la atmósfera. La atmósfera bloquea continuamente el paso de parte de la energía que recibe, dependiendo de la longitud de onda. En el óptico podemos observar casi toda la luz que recibimos, mientras la luz ultravioleta resulta bloqueada enormemente. Para altas energías es necesario observar desde la estratosfera, como Sofia, el telescopio instalado en un avión. Este es el principal obstáculo que impone la atmósfera para las observaciones desde Tierra, pero los cambios climáticos son también un contratiempo importante, como las grandes nevadas o tormentas que imposibilitan completamente la observación. Para evitar este bloqueo que supone la atmósfera se empezó a hablar de los telescopios espaciales a principios de siglo. Los clásicos son el Telescopio Espacial Hubble, que observa en el visible y en una órbita muy baja (Low Excentricity Orbit), el Spitzer Space Telescope, pensado para observar en infrarrojo y que está en una órbita mucho más alejada, en un punto de equilibrio cercano a la órbita de la Tierra (punto de Lagrange), y el telescopio James Webb, llamado a suceder al telescopio Spitzer y que alcanzará la misma precisión del Hubble pero para la observación en infrarrojo, y que se encuentra todavía en desarrollo.
Todos hemos visto alguna imagen del Hubble, y puede hacernos pensar que así de maravilloso es como se ve todo a través de un telescopio. En realidad las imágenes se construyen combinando las imágenes de observaciones de diferentes rangos; por ejemplo combinando la imagen “fea” en infrarrojo del Spitzer, la imagen del “Hubble” más cercana al visible que define mejor las zonas calientes, y la imagen de Chandra en rayos X.
Hubble ha conseguido estar activo mucho tiempo, de manera que seguimos observando con este telescopio, y nos ha proporcionado imágenes alucinantes de muchas galaxias, con detalles jamás imaginados desde Tierra: mientras a simple vista podemos conseguir llegar a magnitud 6, el Hubble nos permite llegar hasta magnitud 30. En una imagen de Hubble se han podido llegar a identificar 150.000 estrellas, 16 de las cuales mostraban una variación de brillo que podría corresponder con tener un planeta alrededor.
Como hemos dicho, el James Webb Space Telescope está en proceso de decidir su lanzamiento, que se ha retrasado en los últimos años. Generalmente, una vez al año se abre un mes durante el cual es posible enviar una propuesta que competirá con muchas otras para poder obtener horas de observación en el telescopio. Para este telescopio, el proceso resulta mucho más competitivo, por ser la primera observación en última tecnología perfectamente diseñada y ensamblada. Mientras que el Hubble tiene un espejo de 2,4m, el James Webb tiene 6,5m de espejo, que obliga a que sea un espejo segmentado y muy bien alineado, de manera que la luz se envía al espejo secundario como si se tratara de la proveniente de un solo espejo. Si hablamos del campo de visión, el de Spitzer era mucho mayor que el de Hubble, mientras el James Webb da la posibilidad de elegir el campo según lo que se quiera observar (mayor para galaxias, menor para objetos puntuales de manera que es más fácil y tiene menos ruido).
Normalmente, observar en el visible y en el infrarrojo es incompatible ya que para observar en infrarrojo es necesario refrigerar el sistema para evitar que también emita y se detecte esta propia emisión. El Spitzer hace esto con tanques de criogenia, lo cual supone una limitación del rango de observación: por encima de las 5 micras los primeros cinco años, y después por encima de las 100 micras. Sin embargo, el James Webb, en vez de un sistema de criogenia, tendrá 6 láminas muy finas que lo aislarán térmicamente, de manera que mientras el lado que esté encarado al Sol llegue a temperaturas muy altas, el lado encarado a los instrumentos no pasará de los pocos Kelvin, óptimos para observar en el infrarrojo.
Este telescopio girará alrededor del Sol con el mismo período de rotación que la Tierra, y será capaz de observar dependiendo de la época del año, de manera que cualquier objeto del Sistema Solar se observe dos veces al año. Lleva a bordo 4 instrumentos, ya que hay experimentos que requieren fotometría, otros espectroscopía, otros estudios en el térmico. Por ahora su lanzamiento está previsto para la primavera del 2020, aunque no se descartan mayores retrasos, y la misión primaria durará unos 5 años, aunque así como siguen activos Hubble y Spitzer, el James Webb también lo hará por más de 5 años. Principalmente es una misión de la NASA, aunque contiene instrumentos de la ESA y de la ASC (Agencia Espacial Canadiense).
¿Merece la pena, para la sociedad, la inversión que requiere un telescopio de estas características? Veamos las características de estos presupuestos. La financiación del Hubble se aprobó en 1970, con una fecha de lanzamiento estimada para 1983, y un presupuesto de diseño de 400 millones de dólares. Finalmente el lanzamiento tuvo lugar en 1990 y en lugar de 400 millones el presupuesto ya era de 4.700 millones de dólares. Además, por cada día que está funcionando un telescopio de estas características, se tiene un gasto correspondiente a la oficina de control, las descargas de datos, la oficina de soporte para el análisis de datos, de calibraciones, etc., es decir, el costo de operación, que a día de hoy alcanza los 10.000 millones. Por supuesto, la mayor inversión es previa a su lanzamiento, que en este caso equivale a la mitad del gasto de toda la misión. Sin embargo, después de 20 años de operación exitosa, el gasto solo equivale a la otra mitad. En el caso del telescopio Spitzer, el lanzamiento se propuso para el año 2003, el presupuesto original eran 2.000 millones, pero al día de lanzamiento se llegó con un gasto de 720 millones, gracias a que la instrumentación en infrarrojo avanzó mucho y permitió abaratar muchos costes. Además, se investigó mucho cual era el mejor tipo de órbita en el cual disponer el telescopio, de manera que cuando se descubrió la posibilidad de establecerlo en un punto de Lagrange, se pudo también reducir mucho la inversión inicial. Cada año de operación de este telescopio cuesta alrededor de 16 millones de dólares.
El proyecto del Telescopio James Web ya lleva gastados 7,3 mil millones de dólares y todavía no se ha lanzado. Se habla que en el momento del lanzamiento se habrán gastado más de 8 mil millones de dólares. Esto afecta directamente el presupuesto de Ciencias de la Tierra, que se ha rebajado mucho. Y además la inversión en la investigación en astrofísica en los últimos años se ha dedicado casi únicamente a este telescopio.
Vamos a ver qué ocurre con las misiones espaciales. Voy a limitarme a una de las últimas misiones: New Horizons. Esta misión estudió Plutón y su sistema de cuerpos. El cinturón transneptuniano nos interesa porqué ha sido muy poco estudiado todavía. El primer objeto (después de Plutón) se descubrió en 1992. Hoy en día ya hemos descubierto unos 3.000 objetos y se estima que hay unos 100.000. De momentos hemos detectados cuerpos grandes, desde 100 hasta 2.000 km. Son objetos que están alrededor de 40 U.A. y sus temperaturas son muy frías, de entre 3,5 y 50 K. Además tienen una gran variedad de albedos, de entre 4 y 86%, lo que demuestra que hay una gran variedad de colores y de composiciones.
En la figura 4 se puede ver una distribución de los mayores objetos transneptunianos con sus distintos albedos estudiados por el satélite Herschel Space Observatory. Tanto los tamaños como sus albedos están a escala.
Figura 4. Distintos objetos transneptunianos
Como puede verse no hay una relación entre los tamaños y los albedos, porque hay objetos grandes claros, objetos grandes oscuros, objetos pequeños claros y objetos pequeños oscuros.
Si se obtiene el espectro de estos objetos se obtiene información de su composición química. Por ejemplo os muestro el espectro de Quaoar (figura 5). Podemos ver una pendiente roja, pero a partir de cierta longitud de onda hay dos grandes absorciones. Haumea también presenta las mismas absorciones pero en el visible es neutro. Para interpretar todo esto tenemos que estudiar muestras en el laboratorio, hacer sus espectros y compararlos con estos objetos transneptunianos.
Figura 5. Espectro de Quaoar.
De esta manera, la curva continua roja significa que hay materiales orgánicos complejos, mientras que en el continuo neutro hay abundancia de carbón o agua pura.
La verdad es que no tenemos espectros tan detallados para todos los cuerpos del cinturón transneptuniano, solamente los tenemos para los objetos más grandes. Pero podemos hacer estimaciones: 36% de ellos tienen superficies envejecidas, son hielos cubiertos por silicatos y carbón; 24% tienen superficies ricas en hielos; y 39% tienen materiales orgánicos complejos (con carbono).
Estos espectros rojizos se asemejan mucho a la superficie del cometa al que nos acercamos mucho: el cometa 67P.
Esta misión fue una misión muy ambiciosa. Se trataba de hacer un “flyby”, un pase muy rápido cerca de Plutón, pero en muy poco tiempo hubo que hacerse muchas medidas. Todas las medidas las hizo en unas 9 horas, y durante este tiempo no tuvo comunicación con la Tierra, porqué la antena estaba ocupada en recoger datos.
Fig. 6. Flyby de la sonda New Horizons
Tuvimos que esperar horas, hasta que la nave empezó a enviar imágenes, para saber si la misión había ido bien.
El vuelo se produjo el 4 de julio. A mediado de mes empezó a enviar datos, que duró hasta octubre de 2016. Lo primero que se baja son la imágenes más bonitas, para que la prensa y la sociedad pueda ver lo que se ha hecho, y después se bajan las más feas, pero con mucha más información.
Antes de llegar veíamos distintos brillos en su superficie, pero no veíamos mucho más. Ya sabéis que al pasar a su lado pudimos ver la superficie de Plutón y de Caronte con mucho detalle (figura 7). Plutón tiene un casquete polar, que no se encuentra exactamente en el norte; Caronte tiene muchos cráteres, mientras que Plutón tiene zonas con cráteres y zonas que no, lo que significa que tiene zonas con superficie joven. Caronte tiene un cañón importante. Plutón tiene mucha variedad de zonas distintas: zona con materiales amarillos, zonas más blanquecinas, zonas más oscuras y zonas mezcladas.
Figura 7. Plutón y Caronte.
Los demás satélites de Plutón ya son mucho más pequeños y no tienen forma esférica.
La zona amarilla de Plutón se denomina Sputnik Planum y se trata de un glaciar rodeado de montañas. En la zona origen del glaciar se ven muchas estructuras distintas, superficies muy porosas, montañas de 2.500 m, valles de unos 25 km de largo, 12,5 km de ancho y 3 km de profundidad. Es rugoso a nivel del Himalaya. Estas montañas no se pueden sostener con hielo de nitrógeno y metano, sino que debajo tiene que haber hielo de agua. Debe ser un paisaje muy familiar de los países nórdicos.
También se pudieron obtener imágenes de la atmósfera de Plutón. En ella vemos distintas capas cada vez más densas y oscuras, que recuerdan un poco las capas que envuelven las ciudades durante un anticiclón debido a la contaminación. Los componentes de estas capas son materiales orgánicos. En la atmósfera hay hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, y está sufriendo la radiación solar. Se procesa y se forman elementos orgánicos (metano, etano…) en forma de sustancias sólidas. Estos elementos se depositan en su superficie y las vemos en las zonas más oscuras y rojizas. En Plutón también hay nevadas, aunque no nieva agua sino metano.
Y también se obtuvieron mapas de distintos elementos químicos (metano, nitrógeno, monóxido de carbono y agua). Con cada uno de estos elementos vemos un mapa distinto del planeta enano (figura 8).
Figura 8. La superficie de Plutón según la emisión de distintos componentes químicos.
Y finalmente, la nave pasó por detrás del planeta y observó su atmósfera a contraluz, durante un eclipse.
Esta misión fue un éxito, no solo desde el punto de vista científico, sinó que fue más barata que el Telescopio Espacial Hubble o James Web Telescope.