La NASA estudia construir un riel espacial con dos telescopios en sus extremos para explorar los orígenes de los planetas, de las estrellas y de las galaxias.

Concepción artística de Spirit. Los telescopios colectores de luz localizados en los extremos de una viga o riel dirigen la luz hacia un instrumento central de combinación de haz, donde los patrones interferométricos son producidos por un interferómetro Michelson. Los telescopios se mueven a lo largo del riel y éste rota para proporcionar acceso a muchas líneas interferométricas de base, generando la información requerida para sintetizar una imagen de alta resolución de un objeto astronómico. Múltiples capas de escudo solar protegen la óptica criogénicamente fría, y unos detectores de última generación dan una sensibilidad sin precedentes en el infrarrojo lejano. Crédito: NASA

Un equipo dirigido por la NASA se encuentra estudiando la construcción de un tren espacial, con un par de telescopios que proporcionarán imágenes de un detalle sin precedentes de planetas, estrellas, y de formación galáctica. La propuesta misión del Telescopio Espacial Infrarrojo Interferométrico (SPIRIT = Space Infrared Interferometric Telescope) examinará también la química atmosférica de los planetas gigantes que orbiten otras estrellas.

SPIRIT consistirá en dos telescopios colocados en los extremos opuestos de una viga de 40 metros de largo. Los telescopios se moverán a lo largo de la viga como los vagones en una vía de tren, combinando sus imágenes con la utilización de técnicas de interferometría, a los efectos de alcanzar el poder de resolución de un telescopio gigante de 36 metros de diámetro.

El Centro Goddard de Vuelo Espacial de la NASA en Greenbelt, Maryland, dirigirá el equipo industrial-universitario-NASA que desarrollará un diseño preliminar de SPIRIT. El equipo evaluará varios conceptos de misión, creará un mapa de ruta del desarrollo tecnológico requerido para la misión, y generará evaluaciones independientes de costos.

SPIRIT fotografiará el polvo de los discos de escombros, revelando la presencia de planetas. Estas imágenes muestran la emisión infrarroja prevista en longitudes de onda de 40, 60 y 100 micrones, codificadas aquí en azul, verde y rojo respectivamente. Los efectos de un planeta (+) en dos fases orbitales pueden ser vistos comparando las imágenes de la derecha y de la izquierda SPIRIT podrá resolver las acumulaciones y las ondas del polvo en discos que se encuentren más allá de los 30 parsecs (el telescopio SPITZER ya ha encontrado varias decenas de candidatos en discos que están a menos de 30 parsecs). Crédito: Model courtesy of Marc Kuchner, Princeton University

El estudio fue encargado en julio de 2004 por el Cuartel General de la NASA en Washington, D.C., como una de las nueve propuestas que ayudarán a la planificación estratégica para el tema de investigación Ciencia Espacial Orígenes de la NASA.

El programa Orígenes de la NASA intenta responder las preguntas fundamentales sobre el universo, tales como de dónde venimos y si estamos solos o no. El equipo informará al Comité de Mapa de Ruta Orígenes a principios de enero de 2005, y deberá entregar un informe final tres meses más tarde.

“Estoy encantado de que SPIRIT haya sido elegido para el estudio”, dijo el Dr. David Leisawitz de NASA Goddard, Investigador Principal para la misión propuesta. “Le daremos a la NASA la oportunidad de construir un telescopio que asombrará al mundo con imágenes infrarrojas claras y definidas del universo”.

“Estas imágenes nos ayudarán a responder algunas cuestiones muy profundas. ¿Cómo fue que nosotros, criaturas vivientes, llegamos a desarrollarnos en un planeta rocoso bañado por la luz del Sol, uno de los cien mil millones de habitantes de la magnífica galaxia espiral que llamamos Vía Láctea?. Quizás lo que sea aún más sobrecogedor, deberemos esperar lo inesperado. ya que éso es lo que encontramos cada vez que damos un gran paso para mejorar las herramientas de la comunidad científica”.

“SPIRIT utilizará técnicas que fueron utilizadas hace un siglo por el Premio Nóbel Albert A. Michelson, así que sabemos que el trabajo puede ser hecho, y pienso que se corresponde excelentemente con la clase de misión Orígenes imaginada en el llamado de la NASA para nuevas propuestas”, dijo Leisawitz.

En las longitudes de onda del infrarrojo lejano, Spizer ve una emisión borrosa de cientos de galaxias a la vez, y aún un telescopio de 10 metros vería la emisión conjunta de muchas galaxias en un solo elemento de resolución. Con una resolución angular de menos de un arcosegundo, SPIRIT distinguirá las emisiones de galaxias individuales en el infrarrojo lejano y en las longitudes submilimétricas y medirá el espectro de cada una de ellas. Este espectro proporcionará un tesoro de información sobre la distancia, las condiciones físicas (temperatura y densidad), composición química, y frecuencia de formación estelar. Complementando al JWST, que operará en longitudes de onda más cortas, SPIRIT ayudará a los astrónomos a aprender la forma en que se formaron las galaxias a partir de sus bloques constitutivos protogalácticos. Crédito: : NASA, Andrew Benson (University of Durham, United Kingdom), and the JWST Science Team (STScI)

SPIRIT examinará el universo en las longitudes de onda submilimétricas y del infrarrojo lejano. Esta luz es invisible al ojo humano, pero algunos tipos de radiación infrarroja son percibidos como calor.

Los procesos que forman planetas, estrellas y galaxias son más fácilmente observables en estos tipos de luz. Por ejemplo, las estrellas nacen cuando las nubes masivas interestelares colapsan por su propia gravedad. Este colapso genera calor, haciendo que la región central formadora de estrellas resplandezca en el infrarrojo.

Las estrellas recién nacidas están frecuentemente rodeadas por discos de gas y polvo, que también colapsan bajo su propia gravedad para formar planetas. Si bien los planetas son demasiado pequeños como para ser vistos directamente, su gravedad causa disturbios en el disco de polvo, formando ondas y granulaciones. Al ser calentado por la estrella central, el polvo refulge en luz infrarroja, revelando a SPIRIT sus estructuras y divulgando las localizaciones y los tamaños de los previamente desconocidos planetas.

Mirar más lejos en el espacio equivale a ver hacia atrás en el tiempo, porque la velocidad de la luz es finita, y le toma una cantidad significativa de tiempo para atravesar las inmensas distancias cósmicas.

Vemos a la galaxia más cercana (Andrómeda) como era hace dos millones de años, porque éso es lo que le lleva a la luz que proviene de ella para llegar a nosotros. Llevamos nuestra mirada miles de millones de años hacia atrás cuando miramos hacia los límites del universo observable, y es así que podemos examinar a las galaxias mientras evolucionan.

Sin embargo, como el universo está expandiéndose, la luz emitida por las galaxias remotas se ha alargado (a causa de esa misma expansión) hasta las longitudes de onda submilimétricas y del infrarrojo lejano. Es por eso que necesitamos telescopios altamente sensibles a estos tipos de luz, si deseamos observar la distante formación galáctica.

La secuencia de los pasos evolutivos desde una nube molecular (a) hasta un sistema planetario (f). Debajo de cada panel vemos la resolución angular de uno más de los telescopios de infrarrojo lejano que resolverán a un joven objeto estelar si se encuentra a una distancia similar a la de Rho Oph o de la nube de Taurus, dos lugares cercanos de formación estelar. Spitzer y Herschel pueden resolver protoestrellas en la fase temprana de colapso del centro de la nube molecular, pero necesitaremos a ALMA, SAFIR, SPIRIT y SPECS para completar la imagen. Crédito: Illustration based on models developed by M. Hogerheijde (1998), Leiden University, The Netherlands, and Shu et al. (1987), National Tsinghua University, Hsinchu, Taiwan

Muchos de estos objetos parecen ser demasiado pequeños o brillar demasiado débilmente como para que los telescopios existentes las puedan observar con detalle a sus remotas distancias. Para llevar a cabo tan ambiciosas observaciones, SPIRIT tendrá una resolución angular (es decir, la habilidad para ver el detalle fino) 100 veces mayor que la de los telescopios infrarrojos actuales, completada con un aumento comparable en su sensibilidad.

Entre los retos técnicos que deberán ser superados se incluyen el mantener a los espejos del telescopio a una temperatura extremadamente baja (de unos cuatro grados Kelvin), de modo que su propio calor no interfiera con la débil luz infrarroja que están tratando de capturar. Los detectores necesitan también tener una sensibilidad mayor, y más píxeles.

El equipo Goddard-Industria está capacitado para enfrentar esos retos. “Nuestros ingenieros aman trabajar en este proyecto, hay un amplio campo para el pensamiento creativo, y todos comprenden que es una oportunidad de dar un salto gigantesco hacia delante y a la vez inspirar a la próxima generación de exploradores”, dice Leisawitz.

Si logra ser aprobado, SPIRIT podría estar listo para ser lanzado en 2014, a bordo de un gran cohete desechable. SPIRIT viajaría al punto de libración L2, a un millón y medio de kilómetros de la Tierra, donde desenrollará automáticamente su brazo y desplegará los telescopios.

El equipo liderado por Goddard incluye a colaboradores de Caltech, de Cornell, del Centro Harvard-Smithsoniano para Astrofísica, de la Universidad de Maryland, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, del Laboratorio Naval de Investigación en Princeton, de la Universidad de California Los Ángeles, de la Universidad de Wisconsin, y del Laboratorio de Propulsión a Chorro y del Centro Marshall de Vuelo Espacial de la NASA.

El equipo industrial incluye a Bell Aerospace, a Boeing, a Lockheed-Martin y a Northrop-Grumman.

- NOTAS Y COMENTARIOS -
ALMA:
El Gran Conjunto Milimétrico de Atacama (ALMA = Atacama Large Millimeter Array) es una colaboración internacional entre Europa y Norteamérica para construir un radiotelescopio de síntesis que operará en las longitudes de onda milimétricas y submilimétricas. Es posible que Japón se asocie también a la empresa, lo que la convertiría en una colaboración realmente global.

Esta futura instalación comprenderá 64 antenas de 12 metros interconectadas en un único lugar en las alturas de Chajnantor, en la región de Atacama al norte de Chile.

Por la parte europea, el Observatorio Austral Europeo (ESO = European Southern Observatory) está llevando a cabo su parte en nombre de sus diez países miembros, además de España.

En Norteamérica, la Fundación Nacional de Ciencias (NSF = National Science Foundation) también actúa en nombre del Consejo Nacional de Investigación de Canadá, y ejecuta el proyecto a través del Observatorio Nacional de Radio Astronomía (NRAO = National Radio Astronomy Observatory), operado por Universidades Asociadas S.A. (AUI = Associated Universities Inc.)

SAFIR:
El concepto SAFIR está basado en la tecnología de espejos segmentados que será empleada en el Telescopio Espacial James Webb desarrollado por el Centro Goddard de Vuelo Espacial de la NASA.

El telescopio (abajo y a la izquierda en la imagen) estará compuesto de varios segmentos de espejo. Múltiples capas escudo bloquearán al calor del Sol y permitirán que los crio-enfriadores mantengan al telescopio a una temperatura de 4 grados Kelvin.

El Observatorio de Infrarrojo Lejano de Apertura Única (SAFIR = Single Aperture Far-Infrared Observatory) será un gran telescopio espacial criogénico, y su lanzamiento está programado para realizarse entre 2015 y 2020. El término “Apertura Única” se refiere al único espejo primario del telescopio, que lo distingue de las misiones interferométricas de múltiples espejos.

SAFIR estudiará las fases tempranas de la formación de galaxias, estrellas y sistemas planetarios, en longitudes de onda (de 20 micrones hasta 1 milímetro) donde estos objetos son más brillantes y que contienen un tesoro único de información. La mayor parte de esta porción del espectro es inaccesible desde el suelo porque es absorbida por la humedad de la atmósfera de la Tierra.

Se calcula que el espejo primario de SAFIR medirá de 8 a 10 metros de diámetro, lo que es mucho para un telescopio espacial. En comparación su antecesor, el Telescopio Espacial Spitzer, tiene un espejo primario de solamente 0,85 mts. de diámetro.

El telescopio SAFIR será enfriado hasta una temperatura de unos 4 grados Kelvin, es decir, cuatro grados centígrados por encima del cero absoluto. La combinación de un espejo de gran tamaño y baja temperatura hará que SAFIR sea mil veces más sensible que Spitzer, aproximándolo a los límites extremos de sensibilidad para las longitudes de onda del infrarrojo lejano y submilimétricas. Solamente lo limitará el ruido de los fotones del fondo astrofísico.

SPECS:
La Sonda Submilimétrica de la Evolución de la Estructura Cósmica (SPECS = Submillimeter Probe of the Evolution of Cosmic Structure) es un proyecto resultado del esfuerzo para desarrollar tecnologías clave a lo largo de la próxima década que permitan lograr algunas metas ambiciosas en una misión espacial de investigación astronómica en la segunda década del siglo XXI.

Se necesita para esto un gran telescopio espacial, con una enorme resolución angular, con el que se puedan “contar” fotones en la región del infrarrojo lejano y submilimétrica del espectro.

El espejo necesario para llenar estas expectativas debería medir un kilómetro de diámetro. Sin embargo, utilizando técnicas de síntesis en un interferómetro se podría lograr el mismo efecto utilizando apenas tres espejos de tres metros volando en formación.

Para que las imágenes obtenidas sean buenas, estos espejos recolectores deberán ser móviles, tomando muestras de un gran número de “líneas de base” interferométricas, tanto cortas como largas. Para ésto, se requerirá una “formación de vuelo” de alta precisión.

Para mitigar la necesidad de una gran necesidad de propelente y el riesgo de degradación de la calidad óptica de los espejos, podrían utilizarse cables. Una posible configuración sería una formación cableada de rotación estabilizada.

Para proporcionar un gran campo de visión será necesario un conjunto de detectores submilimétricos. Con formaciones del orden de 100 x 100 detectores, se podría sintetizar un campo de imagen de hasta un cuarto de grado (la mitad del tamaño de la Luna).

Asimismo, se necesitará un almacenamiento masivo de datos a bordo, y procesadores veloces y resistentes a la radiación.

Heber Rizzo

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Web Site: Goddard Space Flight Center
Artículo: “NASA STUDIES SPACE RAILWAY TO EXPLORE ORIGINS OF PLANETS, STARS, AND GALAXIES”
Fecha: Octubre 05, 2004

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Para Astroseti.org: Heber Rizzo Baladán

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