Observando galaxias del pasado

Las imágenes del telescopio Webb de esta semana nos impactaron a todes. Ver fotos de galaxias pasadas con tanta nitidez, a tantos millones de kilómetros de distancia y de a 13 mil millones de años, estimula nuestra sensación de asombro. Ese sentimiento de vivir en una piedrita en un universo gigante en expansión, y poder comprenderlo cada vez un poco más, mientras caemos en la cuenta de todo lo que aún no comprendemos.

El James Webb Telescope es parte de una nueva generación de telescopios satélites y terrestres que, como todo parece indicar, nos prometen innumerables maravillas aún mayores que las que nos mostró el Webb esta semana, en un futuro cercano, y con la exactitud predictiva de la astrofísica. 

El Webb tiene varias cosas de especial. Es el telescopio con mayor amplitud para recolectar información sobre el universo. ¿Qué vendría a ser eso? En primer lugar, al Webb en este momento lo tenemos bastante lejos, a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra. Tiene la propiedad de recorrer esos miles de millones de kilómetros y devolvernos imágenes con una nitidez escandalosa: su espejo masivo y su capacidad de detectar luz infrarroja le permite retroceder miles de millones de años y tener registros fundamentales sobre los orígenes del universo. Clave para comprender con mayor precisión qué corno sucedió en el Big Bang.

Pero antes de adentrarnos en este y otros nuevos telescopios, repasemos un poco de historia de los telescopios satelitales. El primero en salir en órbita fue el

Orbiting Astronomical Observatory

, lanzado entre 1966 y 1972 por la NASA en plena guerra fría. Este telescopio logró proporcionar observaciones de objetos astronómicos en luz ultravioleta. El Orbiting Astronomical Observatory puede considerarse como el precursor del satélite que, hasta ahora, sacó la mayoría de las fotos más impactantes que tenemos sobre el universo: el

Hubble

, instalado hace tan solo 32 años. Si lo comparamos con los 432 años que pasaron desde que Galileo empezó a observar la Vía Láctea con su primitivo telescopio refractor, es realmente muy poco tiempo.

Hubble: el centinela cósmico

Cuando el telescopio Hubble fue puesto en órbita en el año 1990, su primera prueba resultó un desastre. Las fotos salieron borrosas y desenfocadas y los objetos astronómicos eran difíciles de distinguir. Fue una pesadilla para la NASA: doce años de trabajo y más de dos mil millones de dólares invertidos en un telescopio que solo atinaba a sacar fotos borrosas. Aunque ahora parezca mentira, a comienzos de los 90’ era común burlarse del Hubble y poner en duda que alguna vez llegase a fotografiar algo que pudiera generar asombro. La opinión pública lo veía como un telescopio mal diseñado, un fracaso de la ciencia. Varios políticos se quejaban de las enormes inversiones puestas en un telescopio que había pifiado en la única misión que tenía que cumplir.

Poco después de su problemático debut, el equipo de investigación de la NASA descubrió que

la raíz del problema

era una aberración de la lente primaria ocasionada por una serie de errores en el diseño del telescopio, que estaba provocando imprecisiones en la curvatura. Con este diagnóstico, en 1993 enviaron un cohete con la misión de instalar un módulo externo que permitiría corregir el imperfecto, como quien ajusta el foco de una cámara, pero a niveles astronómicos. Después del arreglo, el Hubble reintentó tomar aquella primera foto fallida:

Esta fue la primera foto que tuvo la humanidad de lo que se denominó “el campo profundo de Hubble”. Lo que se ve en la foto son procesos de formación de galaxias que sucedieron miles de millones de años después del Big Bang. Cuando salió en los diarios, revistas y televisores, el mundo quedó impactado. Como nosotres esta semana con la aún más increíble foto que tomó el Webb. Parece ser que el Hubble, al final, no fue un fracaso. La NASA respondió a las burlas no sólo con ésta, sino con la innumerable usina de imágenes que tenemos hoy en día del universo. Entre otras cosas, pudo descubrir alrededor de 100.000 millones de galaxias. Algunas de las fotos que tomó son icónicas y puede que ya las hayas visto alguna vez aunque no lo recuerdes, como la del campo profundo del Hubble que aparece arriba, en la que se pueden ver algunas de las galaxias más jóvenes del universo, el cúmulo estelar Westerlund 2, la nebulosa de hormiga, o la supernova Hubble, entre muchísimas otras bellas (y un poco terroríficas) imágenes del universo. 

Quizás lo más desconcertante de estas imágenes es que son del pasado. En el planeta Tierra, cuando andamos por nuestras vidas, solemos creer que percibimos siempre el presente. Suena muy contraintuitivo decir “ver el pasado”. Sin embargo, percibir el pasado es mucho más normal de lo que parece. Las ondas sonoras viajan a una velocidad determinada, que puede hacer que sus vibraciones nos impacten en los tímpanos mucho tiempo después de que se emita. Un francotirador podría asesinarte antes de que puedas escuchar la bala sonar. Horrible, pero real. Con la luz, sucede algo similar, con la diferencia de que la luz viaja a una velocidad muchísimo mayor que la del sonido. La velocidad de la luz es de 300.000 kilómetros por segundo, mientras que la mayor velocidad de sonido detectada hasta hoy es de 340 kilómetros por segundo. Cuanto más distante es el objeto, más tarda en llegar la luz, o el sonido. Algunas de las estrellas que vemos en el cielo murieron hace miles de años. Andrómeda, nuestra galaxia más cercana, está a 2,5 millones de años luz. O sea que la Andrómeda que observamos, no es la Andrómeda de ahora. El sol que miramos todos los días, en realidad es un sol de hace ocho minutos. Con los telescopios pasa algo similar, pero yendo a miles de millones de años atrás. Mientras mayor sea nuestra capacidad de irnos atrás en la detección de ondas emitidas en el universo, mayor será nuestra comprensión del orígen de él.

Desde el Hubble en adelante se construyeron telescopios de distintos tamaños, tipos, y estructuras que fueron capturando muchos más secretos  del cosmos. Pero el Hubble por años fue siempre una estrella entre los satélites, un foco central para todo el conocimiento astrofísico que vino después. Hay otros telescopios que también han contribuido a muchos descubrimientos astronómicos como el Spitzer Space Telescope, el Galaxy Evolution Explorer, The Kepler Telescope, el WMAP y el Swift, entre otros.

Todas estas familias de telescopios, en tres décadas, nos permitieron una mayor visualización y comprensión de los distintos tipos de galaxias vivas o muertas, la diversidad de los sistemas planetarios, los años de las estrellas, la cantidad de años del universo (13,8 mil millones aproximadamente), los agujeros negros, las microondas cósmicas remanentes del Big Bang, la antimateria, la materia y la energía oscura y varios detalles sobre los orígenes del Big Bang, entre muchísimos otros inquietantes fenómenos que andan dando vueltas por el universo.

Actualidad y futuro de los telescopios

Esta vez el Webb augura una apasionante época de observación cósmica, gracias a la compañía no solo de los telescopios existentes sino también de todos los que están por venir. En este momento, se están diseñando los módulos de distintos telescopios terrestres, y todo indicaría que van a marcar una nueva generación de observación cósmica. Entre ellos están el ELT (Extremely Large Telescope) del Observatorio Europeo Austral y el LSST (Large Synoptic Survey Telescope) del Observatorio Vera Rubin en el norte de Chile.

Este último, el LSST, tiene una serie de características titánicas y su primera puesta en acción se estima para febrero de 2023. Si todo sale bien, la calidad y el tamaño de las fotografías que podrá sacar superará, en varios sentidos y niveles específicos, a todos los otros telescopios que se hayan hecho en la historia, al Hubble y al Webb incluidos. Podrá fotografiar porciones del cielo del tamaño de 40 lunas, sus imágenes medirán una cancha de básquet entera, se podrá sacar una foto Chile a la Luna y hacer zoom al punto de identificar objetos 9 millones de veces más pequeños que ella. Es decir, el LSST podrá hacerle zoom a la Luna y observar en ella objetos del tamaño de una pelota de golf. Si logra eso con la Luna, solo podemos imaginar lo que logrará capturar en Marte u objetos astronómicos más distantes.

Para entender cómo puede hacerse algo así, hay que visualizar la estructura interna activa de una cámara. Todas ellas (incluso la que tenés en tu celular) están compuestas por un objetivo y un material fotosensible. En el objetivo se encuentran lentes posicionadas estratégicamente para transmitir la luz hacia el eje óptico, en donde se encuentra el material fotosensible. En el caso de la fotografía analógica, el material fotosensible suele ser un plástico recubierto de emulsión fotográfica que reacciona químicamente ante la presencia de los fotones emitidos a través del lente, una vez que el obturador de la cámara se abre y se cierra para capturar la imágen. En el caso de la fotografía digital, se suele colocar un dispositivo de carga acoplado (DCA). Se trata de un dispositivo de silicio dividido en una serie de cuadraditos separados por barreras de metal. Estos cuadraditos se llaman fotocitos. Cada vez que los fotones penetran el lente e impactan la placa de silicio, producen una distribución de cargas eléctricas en él. Cada fotocito extrae una porción de esas cargas eléctricas. Mientras más fotocitos, mayor información sobre los fotones. Luego, cada fotocito se traduce a un píxel. Finalmente, se implementan intervenciones algorítmicas para establecer el color correspondiente a cada píxel, que equivale, a su vez, al patrón de los electrones recibidos por los fotocitos. Y así se compone de las imágenes digitales que vemos en el monitor de una computadora. 

El LSST tiene un dispositivo de carga acoplada de 3.200 millones de fotocitos. O sea, 3.200 megapíxeles. Si te parece poco 3.200 megapíxeles, pensá que el WFC3, el dispositivo de carga acoplada que hoy tiene el Hubble, tiene 16 megapíxeles, como la cámara de un celular. 16 megapíxeles (que ya nos dieron un montonazo). Ahora imagínate 3.200 megapíxeles. Una locura.

El Webb utiliza un mecanismo análogo al de un dispositivo de carga acoplada, pero con diferencias en su instalación física y estructural. Contiene una Near Infrared Camera, equipada con cronógrafos. Los cronógrafos son pulsadores que permiten bloquear las luces con altos niveles de brillo, permitiendo distinguir a los objetos astronómicos que el brillo justamente impediría ver. Estas estructuras están acopladas en una placa de mercurio, cadmio y telurio. Este montaje, hace del Near Infrared una cámara capaz de detectar señales infrarrojas y reducir las señales anómalas o mal capturadas. Justamente uno de los mecanismos que le permite detectar galaxias lejanas en el tiempo. La pieza fundamental es su espejo primario hexagonal de 6,5 metros, divididos en 18 módulos. Un espejo primario de esas características jamás fue enviado al espacio. Y en lo que es sacar fotos nítidas de galaxias de 13 mil millones de antigüedad, el tamaño del espejo es un factor fundamental, porque se correlaciona con el “área de relleno”, que es el porcentaje de áreas de un píxel sensibles a la luz que es recibida, lo cual se traduce en mayor resolución de imagen.

Estas prestaciones hacen del Webb una suerte de sucesor del Hubble, pero no un reemplazo de por sí. En los últimos días, estuvieron circulando comparaciones de la diferencia de nitidez que hay entre las imágenes tomadas por el Hubble y el Webb de los mismos objetos astronómicos, permitiéndonos observar directamente los detalles que el Webb puede capturar, y el Hubble no. Pero la comparación es odiosa. El Hubble orbita el planeta Tierra y busca detectar más que nada ondas ultravioletas, con un espejo primario de 2.4 metros. El Webb, en cambio, es un explorador que abandona la órbita de la Tierra para irse a miles de millones de kilómetros, y su tarea es la detección de las ondas infrarrojas. La captación de estas ondas es un punto determinante en la observación de galaxias lejanas en tiempo y espacio, dado que grandes porciones del universo están cubiertas de gas y polvo espacial que obstruyen el márgen de la luz detectable. El espejo hexagonal del Webb, acoplado a los cronógrafos que inhiben el exceso de brillo, le permite ver más allá del polvo y detectar las galaxias y los planetas que yacen detrás de ellas, como las imágenes que vimos esta semana. 

La nueva generación de telescopios, tanto terrestres como satelitales, están dando sus primeros pasos hacia la acelerada y caótica carrera del conocimiento de nuestro universo. Estamos viviendo un momento fascinante de la astrofísica, y los telescopios son la poderosa extensión de nuestros ojos que nos permite calcular el misterio más grande de nuestra realidad. Es más, los telescopios nos permiten detectar muchísimas cosas que incluso nuestros ojos no pueden ver, justamente como la radiación infrarroja y ultravioleta. Lo interesante del LSST y el Webb es que, logrando tomar lo mejor de ambos, los campos de apertura de detección de patrones cósmicos pueden ciertamente ser notables. El Webb podría fotografiar supernovas a un mayor nivel de distancia que el LSST no, y al ser un telescopio explorador, puede aumentar su extensión espacial a través del universo. Pero el LSST va a poder hacer una cosa que el Webb no: realizar secuencias de cámara rápida o time-lapse del universo, tomando 800 fotos de 3.200 millones de píxeles por día, registrando 5475 Petabytes de información del cosmos al año. Cruzando las imágenes obtenidas de la nueva generación de telescopios como el Webb, con las de las viejas generaciones aún vigentes, como el Hubble, podremos observar con mayor claridad cómo el universo danza alrededor nuestro en los próximos años y por mucho tiempo más, encontrando respuestas a preguntas que ni se nos habían ocurrido.