L’univers amb nous ulls

Seeing the Universe through New Eyes. Visible and Infrared Astronomical Observation.

The next decade will witness the construction of a new generation of much larger ground and space telescopes: the so-called Extremely Large Telescopes with diameters exceeding 30 m and the 6.5 m James Webb Space Telescope. These will constitute the main devices for optical and infrared astronomy in the near future. These telescopes will feed the most sophisticated set of instruments astronomers have ever built, incorporating state-of-the-art optical components and detectors. These awe-inspiring telescopes and instruments are technically challenging but necessary to satisfy our quest for greater knowledge of the Universe.

S’ha avançat molt des que Galileu va fer servir un telescopi per realitzar observacions astronòmiques cap a l’any 1609. Si bé els principis bàsics no han canviat substancialment, els grans telescopis òptics d’avui, a diferència dels del segle xvii, són portentoses màquines d’extraordinària precisió mecànica i gran qualitat d’imatge. Els majors telescopis òptics tenen diàmetres que superen els 10 metres i poden detectar objectes cent milions de vegades més dèbils que el primer telescopi de Galileu. Aquests telescopis apunten a qualsevol font astronòmica amb un error de posicionament inferior a uns pocs segons d’arc i són capaços de realitzar el seguiment de la font amb una precisió de desenes de mil·lisegons d’arc. Utilitzant tècniques d’òptica adaptativa que corregeixen l’esborronament que introdueixen les fluctuacions atmosfèriques en la propagació de la llum, es poden obtenir imatges que en l’infraroig pròxim ja assoleixen el límit de difracció (1,22 λ/D, on λ és longitud d’ona i D el diàmetre del telescopi). En el cas dels telescopis de major diàmetre, els Keck de 10 metres instal·lats a Hawaii i el Gran Telescopi de Canàries (GTC), de 10,4 metres, a La Palma, aquestes imatges infraroges poden assolir una resolució espacial superior a 40 mil·lisegons d’arc. Dotats d’una varietat d’espectrògrafs òptics i infrarojos de poder resolutiu des de 100 fins més de 100.000¹, aquests telescopis faciliten informació molt valuosa sobre els processos físics que tenen lloc en una enorme varietat de fonts còsmiques i són, en definitiva, màquines molt poderoses de fer ciència.

«Els majors telescopis òptics tenen diàmetres que superen els 10 metres i poden detectar objectes cent milions de vegades més dèbils que el primer telescopi de Galileu»

Des de fa unes quantes dècades també disposem de telescopis en l’espai que han estès el tradicional rang d’observació en el rang visible a altres regions de l’espectre electromagnètic que no són accessibles des de la Terra. El més destacat d’aquests telescopis és el Hubble, un telescopi de 2,4 metres de diàmetre construït per la NASA en què participa l’Agència Espacial Europea (ESA) amb una contribució del 15%. Aquest telescopi, que es troba en una òrbita relativament baixa (593 km sobre el nivell del mar), accessible per al transbordador espacial, ha realitzat observacions en el rang ultravioleta, visible i infraroig pròxim que constitueixen un referent de l’astronomia moderna. Les imatges més profundes de l’univers s’han obtingut amb el telescopi Hubble en el rang visible i s’hi detecten objectes amb magnitud superior a 27. Els millors ulls humans només poden detectar a ull nu estels més brillants que els de magnitud 6. Més recentment s’han llançat altres telescopis espacials i s’han situat en òrbites molt més distants, concretament a un milió i mig de quilòmetres, en el segon punt de Lagrange. És el cas del telescopi Herschel de l’ESA, dedicat a l’infraroig llunyà i submil·limètric, que fa mesos que opera en un ambient de molt baixa temperatura i extraordinària estabilitat tèrmica que permet observacions de gran sensibilitat a aquestes longituds d’ona. Els reptes tecnològics associats amb aquestes missions espacials, per si descomunals, possiblement seran superats en dificultat pels que ha d’afrontar el futur telescopi espacial James Webb de 6,5 metres de diàmetre. Aquest nou telescopi, de caràcter segmentat i desplegable, serà llançat l’any 2014 si tot va bé i la seua òrbita serà semblant a la del satèl·lit Herschel. Disposarà d’instrumentació avançada en l’infraroig pròxim i mitjà, però també de capacitat de detecció en el visible. Com a il·lustració de l’envergadura del projecte no cal sinó mencionar que l’escut de protecció per a la radiació solar d’aquest telescopi té una àrea equivalent a la d’una pista de tennis.

Les limitacions de cost fan difícil construir telescopis espacials molt més grans. Això significa una menor capacitat resolutiva en les imatges que s’obtenen en l’espai enfront de la dels grans telescopis terrestres quan són equipats amb sistemes d’òptica adaptativa, però els telescopis espacials poden assolir major sensibilitat en certs rangs de l’espectre gràcies a un ambient molt estable de baixa temperatura i a l’absència d’atmosfera. En l’ultravioleta, en part del rang visible, i en l’infraroig mitjà i llunyà els futurs telescopis espacials posseeixen una sensibilitat difícilment superable des de terra.

El 2014 es preveu el llançament del telescopi espacial James Webb, una simulació del qual podem veure en la imatge. Amb un diàmetre de 6,5 metres, el telescopi tindrà una òrbita semblant a la del Herschel. Tot i que la resolució de les imatges és menor que la dels grans telescopis terrestres, els telescopis espacials poden obtenir major sensibilitat en certs rangs de l’espectre gràcies a un ambient molt estable de baixa temperatura i a l’absència d’atmosfera. / NASA

Telescopis gegants

Als Estats Units i a Europa es dissenyen actualment telescopis gegants segmentats de 30 metres i 42 metres de diàmetre que es configuren basant-se en centenars d’espills sobre els quals s’actua amb sistemes mecànics de gran precisió perquè en tot moment definesquen una superfície òptica perfecta. Aquest tipus de tecnologies, que van ser pioneres en els telescopis Keck i després desenvolupades pel GTC, són reconegudes ara com la clau per als futurs telescopis gegants i supergegants. No hi ha a priori una limitació que impedesca estendre aquesta tecnologia a telescopis de major diàmetre i fins i tot l’organisme internacional ESO (Observatori Europeu Austral) ha desenvolupat un concepte de telescopi de 100 metres que probablement haurà d’esperar fins que els telescopis de 30-40 metres es facen realitat per poder ser dissenyat en detall. Aquests telescopis de més de 30 metres són coneguts per les sigles en anglès ELT (Extremely Large Telescopes) i suposen per a cada un inversions pròximes als mil milions d’euros, suma que no s’allunya gaire dels costos de les missions centrals de ciència de l’ESA.

Concretament el telescopi europeu de 42 metres, conegut com E-ELT, estarà equipat amb un sistema d’òptica adaptativa que permetrà obtenir imatges d’una resolució superior als 10 mil·lisegons d’arc en l’infraroig pròxim i, en cas que s’aprove de construir-lo l’any que ve, podria entrar en funcionament a final de la dècada vinent. Espanya és un membre actiu del consorci que impulsa el desenvolupament d’aquest telescopi gràcies en gran mesura a la nostra experiència amb el GTC, que és molt singular a Europa. L’observatori del Roque de los Muchachos competeix com una de les possibles ubicacions per a aquest telescopi. Per als ELT és fonamental situar-se en un observatori excel·lent en termes d’estabilitat atmosfèrica (el seeing dels astrònoms), on, a més, els sistemes d’estels làser artificials funcionen de manera eficaç. Aquests sistemes làser permeten crear estels de referència per excitació dels àtoms de sodi en altes capes de l’atmosfera terrestre. Amb aquests estels de referència és possible corregir en temps real la distorsió introduïda en la propagació del front d’ona per les fluctuacions atmosfèriques. Es resoldria així el problema de la falta d’estels naturals de prou brillantor, que és un factor limitant en l’ús de la correcció d’òptica adaptativa en qualsevol direcció en què s’apunte el telescopi.

La instrumentació que es planifica per als telescopis segmentats gegants és la més complexa que s’haja construït en telescopis terrestres i preveu des de sistemes d’imatge amb contrast molt alt capaç de detectar exoplanetes a separacions inferiors a un segon d’arc del seu estel (la brillantor dels exoplanetes de tipus terrestre pot ser mil milions de vegades més dèbil que la del seu estel), a espectrògrafs ultraprecisos i estables capaços de mesurar en directe la velocitat d’expansió de l’univers, per a la qual cosa es requereixen mesures amb una precisió pròxima a 1 cm/s estables en escales d’anys. Aquesta mateixa precisió permetria detectar planetes com la Terra pel seu efecte gravitatori en estels semblants al Sol. Aquests i altres instruments proposats per als futurs telescopis gegants es basen en la gran experiència adquirida en el desenvolupament d’instrumentació per a telescopis en terra i en espai.

«Als Estats Units i a Europa es dissenyen actualment telescopis gegants segmentats de 42 metres de diàmetre que es configuren basant-se en centenars d’espills»

Al món hi ha uns deu telescopis de classe 8-10 metres en funcionament, i almenys trenta telescopis de classe 2-4 metres. Cada un està equipat habitualment amb dos o tres instruments que permeten obtenir imatge o espectroscòpia. Això representa al voltant de cent instruments astronòmics distribuïts i operatius arreu del món que són a hores d’ara el principal cavall de batalla dels astrònoms que treballen en el visible i en l’infraroig. Hi ha una enorme experiència acumulada en els centres d’investigació astronòmica i també en empreses privades en el desenvolupament de components avançats que optimen la transmissió, reflexió i dispersió de llum visible o infraroja per a aquests instruments. Ben sovint, aquests components (lents, prismes, xarxes de dispersió) i en general la major part dels detectors que finalment registren l’arribada dels fotons han d’operar dins de criòstats amb alt buit i refredats amb nitrogen líquid. Especialment els detectors precisen treballar a baixes temperatures per mantenir el soroll de lectura i el corrent de foscor dins de valors acceptables. Criogènia i astronomia estan, per tant, cada vegada més unides.

El telescopi espacial infraroig de l’ESA, Herschel, va ser llançat el passat 14 de maig de 2009. Es tracta del major i més potent telescopi infraroig llançat fins a la data i permetrà estudiar l’origen i l’evolució d’estels i galàxies. / ESA – D. Ducros, 2009

Detectors

Cal remarcar aquí l’enorme progrés que s’ha realitzat en la tecnologia de CCD (detector de dispositiu d’acoblament de càrrega), que en els anys vuitanta va començar a incorporar-se en la instrumentació astronòmica amb formats relativament petits. Avui dia aquests són els detectors (E2V, Marconi, Texas Instruments) més sovint utilitzats en astronomia i presenten eficiències quàntiques² molt elevades (> 90%) en tot el domini visible oferint formats de grandària considerable que superen els 4.000 x 4.000 píxels. És comú trobar instruments dotats d’un sistema de detecció compost d’un mosaic construït amb diversos detectors CCD. Un nou tipus de detector òptic anomenat Low Light Level CCD (o L3CCD) presenta sorolls de lectura molt baixos (<1 e^–) alhora que una ràpida velocitat que permet transferir la informació d’un detector de 512 x 512 píxels en menys de 30 mil·lisegons. Aquest tipus de detectors són utilitzats en els sistemes d’òptica adaptativa perquè ofereixen una resposta ràpida i per tant tenen capacitat de mesura ràpida de les propietats del front d’ona. Però també es comencen a utilitzar en càmeres d’imatge ultraràpides que permeten mesurar l’impacte de les distorsions atmosfèriques en cada imatge individual i realitzar la selecció d’imatges que no han estat distorsionades de manera significativa (lucky imaging), és a dir, aquelles que verifiquen una qualitat excel·lent. Amb exposicions de 30 mil·lisegons hem comprovat que s’aconsegueixen imatges en el rang visible amb una resolució pròxima al límit de difracció de telescopis de classe 2-4 m. Actualment, el nostre grup en l’IAC (Instituto de Astrofísica de Canarias) investiga el potencial d’aquests detectors per obtenir imatges de molt alta resolució en combinació amb sistemes d’òptica adaptativa en telescopis de 4 m. Els primers resultats mostren imatges de resolució millor que 90 mil·lisegons d’arc a 850 nm.

Imatge del sistema múltiple Gliese 569 obtinguda en juny de 2009 amb FastCam en combinació amb el sistema d’òptica adaptativa NAOMI del telescopi de 4,2 metres William Herschel a l’Observatori del Roque de los Muchachos. La imatge resulta de la combinació de milers d’exposicions preses amb temps d’exposició de 30 milisegons emprant un filtre de banda ampla centrat a 850 nm. El sistema doble dèbil està lligat gravitatòriament a l’estel brillant. Està format per dos nans marrons (objectes de la mida de Júpiter però més densos) i es troba a uns 5 segons d’arc de l’estel brillant, el que suposa una distància física un poc major de l’existent entre el Sol i Plutó. En aquesta imatge es resolen els dos nan marrons amb una separació angular de 90 milisegons d’arc que correspon a una separació física entre elles similar a la que hi ha entre el Sol i la Terra. / Equip de FastCam (IAC-UPCT)

Pel que fa als detectors d’infrarojos, el progrés ha estat també extraordinari, i en l’última dècada cada vegada més instruments han incorporat detectors de format 2000 x 2000 píxels d’alta eficiència quàntica entre 1 i 2 microns que han significat una autèntica revolució pel seu potencial científic. En aquest tipus de detectors hi ha encara marge per a millores significatives, especialment en els sorolls de lectura. L’exploració 2MASS d’ambdós hemisferis en les bandes infraroges J, H i Ks va representar un avenç extraordinari per a la comprensió del cel infraroig, estès de manera sensacional pel satèl·lit Spitzer, i esperem que en un futur pròxim també pel telescopi de 4 m VISTA que ESO dedicarà exclusivament a diverses exploracions del cel de l’hemisferi sud. Igualment, els espectrògrafs d’infrarojos són avui instruments quotidians en els telescopis més avançats. A Espanya s’ha construït íntegrament un d’aquests instruments infrarojos criogènics, LIRIS, que porta en funcionament més de cinc anys en el telescopi William Herschel de 4,2 m, a La Palma, amb notable èxit.

El futur segurament ens proporcionarà millors detectors d’infrarojos i algunes millores en els detectors òptics, però cada vegada hi ha menys marge perquè ens acostem a les màximes eficiències quàntiques possibles. No és previsible que les millores en sensibilitat proporcionades en les darreres dècades pels avenços en tecnologia de detecció es repetesquen novament. Hi ha, però, espai per a millorar en la qualitat dels components òptics, per exemple en les eficiències de transmissió de les xarxes utilitzades per dispersar la llum i en alguns components més, però sembla clar que el camí per aconseguir incrementar la sensibilitat de les nostres observacions en el visible i infraroig pròxim passa principalment per la construcció de telescopis de major superfície col·lectora. La nova generació de telescopis de 30-40 metres presenta un repte tecnològic de primera magnitud, però, per difícil que resulte, és imprescindible abordar-lo si volem donar resposta a molts dels problemes astronòmics que continuen oberts.