Optica

HUBBLE, UN TELESCOPIO
QUE NACIÓ CON MIOPÍA

Guillermo Rubén Ávalos Ceja

En esta imagen lograda por el Telescopio Espacial Hubble, se aprecian dos racimos de estrellas, llamados NGC 1850, en una de nuestras cuatro galaxias vecinas, la Gran Nube de Magallanes. La pieza central de la foto es un racimo joven “tipo globular ”. Las estrellas se ven rodeadas por una formación de gas difuso que fue creado por la explosión de estrellas masivas, según creencia de los científicos.
NASA, ESA
 

   



En 1609 un físico y astrónomo italiano llamado Galileo fue la primera persona que dirigió un telescopio hacia el espacio sideral. A pesar de que su telescopio era muy pequeño y rústico y que lo captado por su aparato eran sólo imágenes poco nítidas, ese notable científico italiano fue capaz de marcar montañas y cráteres de la superficie de nuestra luna. Pudo también observar un cordón difuso de luz que se extendía en forma de arco a través del cielo; había observado por vez primera la Vía Láctea.
Después de grandes pensadores como Galileo y, posteriormente Isaac Newton, la astronomía floreció apoyándose en unos telescopios cada vez más grandes y complejos. Los científicos, apoyándose en los avances tecnológicos, han descubierto estrellas lejanas y han logrado calcular la distancia a la que están ubicadas.
En el siglo XIX, usando un nuevo instrumento llamado espectroscopio, los astrónomos pudieron recabar información acerca de la composición química y los movimientos de los objetos celestes.
Durante el recientemente terminado siglo XX los astrónomos pudieron desarrollar telescopios más grandes y potentes con los que pudieron escudriñar sitios increíblemente lejanos en el espacio y en el tiempo, sin embargo, esos aparatos cada vez más grandes y complicados no logran proporcionar una visión tan clara como ellos quisieran, esto, debido a la atmósfera de nuestro planeta.

Esta imagen del Telescopio Espacial Hubble muestra una de las más complejas nebulosas planetarias jamás vistas, la NGC 6543,llamada “ojo de gato ”.


Una radiación extremadamente intensa de estrellas ultra brillantes recién nacidas, ha esparcido una burbuja esférica en la nebulosa N83B, también conocida como NGC 1748.


Es usual que los maestros de escuela digan a sus pequeños alumnos que una manera de diferenciar una estrella de un planeta es la característica titilante de las estrellas, pero, en realidad, esas aparentes pulsaciones luminosas no son más que la luz de ese cuerpo distante que está siendo distorsionada por la atmósfera terrestre. El efecto visual de esta distorsión es similar a mirar un objeto a través de un vaso de agua. Este mismo problema visual se presenta para los telescopios, ya que están también ubicados en la superficie de la tierra. Por esto, los astrónomos soñaban con tener un observatorio en el espacio. Desde allí, un telescopio podría detectar la luz de las estrellas, galaxias y otros objetos del espacio antes que esa luz fuera absorbida o distorsionada, logrando una imagen mucho más enfocada que la de el mayor telescopio sobre la superficie de la tierra.
Durante la década de 1970 la Agencia Espacial Europea (ESA) y la NASA (National Aeronautics and Space Administration) empezaron un trabajo conjunto para diseñar y construir lo que sería el telescopio espacial Hubble. El 25 de abril de 1990, cinco astronautas a bordo del transbordador Discovery colocaron el telescopio en una órbita a 612 kilómetros de la superficie terrestre.
El inicio de actividades y posteriormente las increíbles imágenes que se obtenían eran la realización de cincuenta años de sueños y más de dos décadas de arduo trabajo de colaboración entre científicos, ingenieros, contratistas y organizaciones de todo el mundo.
Al dar nombre al telescopio espacial, la NASA quiso rendir un homenaje al astrónomo norteamericano Edwin P. Hubble, quien confirmó la teoría de la expansión del universo que estableció los cimientos de la teoría del Big Bang. Esa teoría afirma que nuestro universo surgió a partir de una gran explosión (big bang) hace de 12 a 15 billones de años.
El Hubble es casi del tamaño de un autobús escolar. Está en órbita alrededor de la tierra a 612 kilómetros de altura. Cada órbita la recorre en 97 minutos, a 28 mil kilómetros por hora. Si un automóvil corriera a esa velocidad recorrería los Estados Unidos de costa a costa en 10 minutos.
El cuerpo del telescopio tiene 13, 3 m de largo, 4, 3 m de diámetro y pesa 11, 110 kilogramos. Su fuente de energía es el sol a través de dos paneles solares de 6 metros cada uno.
Su sensibilidad de la luz va del ultravioleta al infrarrojo (1102500 nonómetros).
Esperanza Carrasco Licea y Alberto Carramiñana Alonso nos explican que el Hubble no es un telescopio muy grande. “Su espejo principal mide 2. 4 metros de diámetro. En la Tierra hay varios telescopios de mas de cuatro metros de diámetro, el mayor de ellos es el telescopio Keck, el cual tiene una apertura de diez metros. De hecho el Keck, teniendo un área de detección dieciséis veces mayor que la del Hubble, tiene mayor capacidad para recopilar luz. Sin embargo el Hubble produce imágenes mucho mejores y puede observar objetos por mayor tiempo. Muchas de las especificaciones técnicas del Hubble son impresionantes. Por ejemplo, para poder obtener las imágenes con la calidad adecuada, una vez apuntado a un objeto, el Hubble mantiene la dirección de apuntado con una precisión de siete milésimas de segundo de arco, o sea dos millonésimas de grado. Esto equivale a mantener en la mira una moneda de un peso a trescientos kilómetros de distancia ”.

EDWIN POWEL HUBBLE

A principios del siglo XX la mayoría de los astrónomos pensaban que la Vía Láctea era todo el universo, con una extensión de tan sólo unos pocos cientos de años luz. En los inicios de la segunda década del siglo pasado Harlow Shapley demostró que la galaxia tenía una extensión de alrededor de 100. 000 años luz y Henrietta Leavitt pudo establecer que las nubes grande y pequeña de Magallanes (dos galaxias compañeras de la nuestra, visibles desde el hemisferio sur)se encontraban fuera de las fronteras de la Vía Láctea.
Entre 1923 y 1924, Edwin Powell Hubble utilizó el telescopio más grande que existía entonces en el mundo, el Hooker de Mount Wilson, para examinar la nebulosa de Andrómeda. Al igual que Galileo con su débil catalejo, más de tres siglos antes había logrado convertir la luz difusa de nuestra Vía Láctea en estrellas individualmente observables, Hubble descubrió y fotografío con el poderoso astrógrafo de ese telescopio las estrellas que componían un brazo de la nebulosa espiral de Andrómeda.
Entre las estrellas del brazo espiral de Andrómeda, Hubble encontró algunas cefeidas, y aplicando la ley de Henrietta Leavitt calculó la distancia de la nebulosa en 800. 000 años luz. Nunca hasta entonces la astronomía había penetrado en semejantes profundidades del espacio.
Las exploraciones del universo que pudo realizar Hubble en su época penetraron profundamente en el reino de las nebulosas y desplazaron gradualmente los límites del espacio explorado.
Vesto Melvin Supher (18751969), al examinar durante los años 1914 a 1925 los espectros de una cincuentena de nebulosas, chocó con el imprevisto fenómeno de que los rayos de toda esta legión de galaxias evidenciaban un corrimiento hacia el extremo rojo del espectro. Este corrimiento al rojo es el indicador de una velocidad positiva: toda esta inmensa familia de galaxias se aleja de la Tierra, parece huir de nuestra Vía Láctea. Tan extraordinario hallazgo fue superado en 1929 por el sorprendente descubrimiento de Hubble que le permite afirmar que cuanto más distante se encuentra una nebulosa, tanto más rápido es su receso. Para las galaxias más alejadas se obtuvieron velocidades de hasta 42. 000 kilómetros por segundo. Nunca hasta entonces habían sido registradas velocidades tan vertiginosas para cuerpos celestes.
Edwin Hubble dedicó su vida a la observación de las galaxias, los objetos más lejanos que conocían los astrónomos en aquellos tiempos.
Pudo determinar las distancias de muchas de ellas, empujando eventualmente hacia fuera centenares de millones de años luz las fronteras del universo. Comparó, entonces, las distancias de las galaxias en función a la velocidad con que se alejaban unas de otras y dedujo que cuanto más lejanas se encontraban las galaxias, más rápidamente se movían. Esta relación, conocida como ley de Hubble, era prueba observacional de que el universo se expandía. Bajo su dirección, la cosmología de observación se convirtió en ciencia. Antes de ser astrónomo, Hubble fue soldado, entrenador de basketball y estudiante de derecho.

La miopía del Hubble
Esperanza Carrasco Licea y Alberto Carramiñana Alonso nos dicen que “al poco tiempo de haber sido lanzado, se descubrió que el Telescopio Espacial Hubble padecía de una aberración óptica debida a un error de construcción, los responsables empezaron a contar los días para esta primera misión de mantenimiento, con la esperanza de que pudiera corregirse el error en la óptica. El desastre consistió en que el espejo primario resultó ser dos milésimas de milímetro demasiado plano en su borde. Sin embargo, esto fue suficiente para que entre 1990 y 1993, la única ventaja clara del Hubble sobre los telescopios terrestres (cualquiera de ellos diez o veinte veces mas barato)era el poder observar luz ultravioleta. Pero a partir de que en la primera misión de mantenimiento se instaló un sistema para corregir la óptica del telescopio, sacrificando para ello un instrumento (el fotómetro rápido), el Hubble ha demostrado ser un instrumento sin paralelo, capaz de realizar observaciones que repercuten continuamente en nuestras ideas acerca del Universo ”.
Efectivamente, al poco tiempo de que el Hubble empezó a enviar imágenes del espacio, los científicos descubrieron que el espejo principal del telescopio tenía un defecto llamado aberración esférica. El filo exterior del espejo era más plano de lo necesario por 4 micrones (equivalente a la cincuentaba parte de un cabello humano).
Esta “miopía ”provocaba una serie de distorsiones en las imágenes, que debían ser tratadas varias veces con avanzadas plataformas informáticas.
Como consecuencia, en lugar de que la luz fuera enfocada en un punto preciso, era recolectada por el espejo y se extendía en un halo difuso. Por otro lado, los paneles solares producían una especie de vibración que distorsionaba el correcto funcionamiento del Telescopio


En medio de un fondo de galaxias muy lejanas, la majestuosa espiral polvorienta NGC 3370 aparece al frente de esta imagen del Telescopio Espacial Hubble.

Estos aparatos recopilan luz con detectores electrónicos similares a los de las cámaras de video caseras.
El espectrógrafo separa la luz proveniente de las estrellas en un arco iris de colores, a la manera de un prisma que descompone la luz del sol, al estudiar los colores con atención los astrónomos pueden decodificar la temperatura, movimiento, composición y edad de una estrella.
El Hubble utiliza espejos para enfocar y magnificar la luz. El espejo principal de 2. 4 metros de diámetro está fijo dentro de un tubo que impide el paso de los destellos del sol, la tierra y la luna. La comunicación con la tierra se efectúa a través de antenas de radio conectadas con el Centro de Vuelos Espaciales Goddard, en Greenbelt, Maryland.
El sofisticado sistema de control del Hubble es de una gran precisión. Una vez que asegura un objeto, sus sensores vigilan cualquier movimiento 40 veces cada segundo. Las computadoras del telescopio espacial convierten en tiras de números la información obtenida, envían esta información digital como señal de radio a un satélite y este a su vez la envía al centro Goddard. De ahí viaja al Instituto Científico del Telescopio Espacial, en Baltimore, en donde la convierten en fotos y datos astronómicos. La información es guardada en discos ópticos. Las observaciones de un solo día serían suficientes para llenar una enciclopedia.

CORRECCIÓN DE LA MIOPÍA DEL HUBBLE


• Incorporación de dos nuevas fijaciones ópticas::
• Una cámara II,,planetaria y de campo ancho (WF/PC II).
•Un Reemplazo Axial Correctivo de la Óptica del Telescopio Espacial.
(Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement, COSTAR ).
• Reemplazo de los paneles solares..
• Reemplazo de tres dispositivos electrónicos internos..
• Reparación de un subsistema auxiliar..
Una nueva cámara llamada Wide Field &Planetary Camera-2 llevaba incorporados los lentes correctivos.
Para poder corregir otros instrumentos se utilizó la mencionada COSTAR que mediante brazos mecánicos articulados permitiría colocar parejas de espejos pequeños que posibilitarían el control de los tres instrumentos principales del Hubble y además conseguirían relocalizar el foco del espejo defectuoso .
 

El Hubble es un diseño de ruta óptica plegada (RitcheyChretien, una variante del diseño Cassegrain), con un espejo primario de 2. 4 m y un secundario de aproximadamente 30 cm.
Su longitud focal es de casi 58 m y su relación focal es f/24. El Hubble contiene más de 400, 000 partes y cerca de 42, 000 Kilómetros de conexiones eléctricas.
Después de descubrir el defecto, científicos e ingenieros desarrollaron ópticas correctivas que funcionaron como anteojos para restaurar la visión del Hubble.
La reparación se hizo usando un aparato llamado Reemplazo Axial Correctivo de la Óptica del Telescopio Espacial (COSTAR, por sus siglas en inglés). Al colocar espejos pequeños y cuidadosamente diseñados frente a esos instrumentos, el COSTAR mejoró su visión para lograr los objetivos originales.
Para poder explorar el espacio a través del Hubble los astrónomos no pueden ver directamente por el telescopio, en cambio, deben utilizar los instrumentos científicos, tales como los ojos electrónicos, cámaras y espectrógrafos que este alarde de ingeniería lleva consigo.

EL TELESCOPIO A TRAVÉS DEL TIEMPO

El telescopio es, quizá, la primera extensión de nuestros sentidos inventada por el hombre. Su origen se remonta varios siglos atrás, a una época de inquietudes de conocimiento.
El primer registro documentado de un telescopio lo encontramos en Holanda, en 1608, por parte de Hans Lipperhey. Su aparato consistía de un lente convexo y un lente cóncavo en un tubo y lograba una ampliación de tres a cuatro veces.
Como suele ocurrir en estos casos, al mismo tiempo otros hombres de ingenio estaban desarrollando aparatos similares para los mismos fines, entre ellos, Jacob Metius de Alkmaar y Sacharias Janssen.
La noticia de estos logros se esparció rápidamente por Europa. En julio de 1609, Galileo construyó su primer instrumento para ver a distancia de tres poderes; posteriormente presentó un aparato de ocho poderes en Venecia y para noviembre de ese año ya tenía uno de veinte. Con éste último pudo observar la luna, descubrir los satélites de Jupiter y observar las manchas solares.
El telescopio de Galileo consistía de un lente plano convexo con una longitud focal de 75 a 100 cm y un lente plano cóncavo con longitud focal de unos 5 cm.
Este sistema de lentes estaba en un tubo ajustable para lograr el enfoque. El vidrio de los lentes contenía varias pequeñas burbujas y el hierro contenido éste le daba un tinte verdoso, además de las deficiencias en el pulido.
Este telescopio presentaba otro problema: un muy reducido campo visual.
En 1611 Johannes Kepler construyó un telescopio combinando un objetivo convexo y un ocular también convexo, de ese modo obtenía una imagen invertida, por lo que agregó un tercer lente convexo para enderezarla.
En 1630 Christoph Scheiner publicó su tratado llamado Rosa Ursina con el que logró que el telescopio con oculares convexos se esparciera por Europa, ya que se lograba una imagen mucho más brillante y el campo visual era más amplio que en el de Galileo. Para las observaciones astronómicas no importa que la imagen se vea invertida, así que las ventajas de éste, que se conoció como telescopio astronómico (al que, por cierto no agregaban el tercer lente corrector), lo convirtieron en el aparato de aceptación general entre la comunidad científica de mediados del siglo XVII.
A partir de 1640 la longitud de los telescopios comenzó a crecer. Desde el de Galileo, de 150 ó 180 cm, fueron alargándose hasta 4. 5 y 6 metros. Pero habían llegado una vez más al punto en el que el campo visual resultaba muy reducido; entonces agregaron otro lente convexo con la longitud focal apropiada en el lugar adecuado e incrementaron el campo visual enormemente. Con este logro se reinició la carrera para hacer telescopios más largos y, así, por ejemplo, Johannes Hevelius construyó uno de 42 metros.
Para principios del siglo XVIII estos largos telescopios habían llegado a sus límites y surgió una nueva forma, conocida como telescopio reflejante. En 1637 René Descartes abordaba el problema de la aberración esférica.
A partir de la ley de Snell, demostró que para eliminar dicha aberración, la curvatura del lente tendría que ser plano-hiperboloidal o esferico-elipsoidal.
Posteriormente, Isaac Newton, basándose en sus estudios de la luz, desarrolló un telescopio utilizando un espejo. Era el primer telescopio reflejante funcional.
Debido a las complejidades técnicas para su realización, el telescopio reflejante permaneció latente durante varios años, hasta que James Hadley lo retomara con éxito. En este tipo de telescopio la luz reflejada por el espejo cóncavo llega a un punto de visión al lado del instrumento o debajo de él para evitar que el ocular y la cabeza del observador intercepten los rayos incidentes.
Henry Draper, uno de los primeros astrónomos estadounidenses que construyó un telescopio reflector, utilizó un prisma en lugar de un espejo.
Hacia 1780, William Herschel, inglés, quizás el astrónomo más famoso del siglo XVIII, quien descubrió el planeta Urano y fue el primero en describir correctamente la forma de la Vía Láctea, inclinó el espejo de su telescopio y colocó el ocular de forma que no bloqueara los rayos incidentes. Los espejos de Herschel tenían un diámetro de 122 cm y un tubo de aproximadamente 12, 2 m de longitud. Los espejos de los telescopios reflectores solían hacerse de una mezcla de cobre y estaño hasta que el químico alemán Justus von Liebig descubrió un método para colocar una película de plata sobre una superficie de cristal.
Haciendo un gran salto en el tiempo, llegamos a 1931, año en el que el óptico alemán, de origen ruso, Bernard Schmidt inventó un telescopio combinado reflector-refractor que puede fotografiar con nitidez amplias áreas del cielo. Este telescopio contiene un lente delgado en un extremo y un espejo cóncavo con una placa correctora en el otro.
En la actualidad, el mayor telescopio reflector del mundo es el telescopio Keck, de 982 cm, en el Observatorio Mauna Kea en Hawai. Éste incorpora una importante innovación en su diseño: la superficie del espejo del telescopio consta de 36 segmentos hexagonales individuales, cada uno de los cuales puede moverse mediante tres pistones actuantes. Las técnicas electrónicas mantienen los segmentos alineados entre sí.
Otra importante innovación es el telescopio de espejos múltiples (MMT), el primero de los cuales se terminó en 1979 en Mount Hopkins, Arizona. Emplea un conjunto de seis espejos cóncavos de 183 cm para lograr el acopio de luz de un reflector de 450 cm de diámetro.
El siguiente salto fue hacia el espacio sideral. El Hubble intenta evitar las aberraciones de la atmósfera.

 

   

Esta fotografía de la Nebulosa Helix, con forma de rizo, es una de las más grandes y detalladas imágenes espaciales jamás logradas. Helix es una de las nebulosas planetarias más cercanas a la Tierra, se encuentra a 650 años luz.

 

Justo después de medianoche del 18 de diciembre de 1993, los astrónomos se colocaron nerviosamente en torno al monitor de una computadora en el STScI (Space Telescope Science Institute), en Baltimore, encargado de recibir las imágenes captadas por la nueva cámara instalada en el Hubble diez días antes por los astronautas norteamericanos. A la una de la madrugada de ese día el personal a cargo de la misión pudo respirar tranquilo, el Hubble había sido “operado con éxito de su miopía ”.

 

EL CAMPO ULTRA PROFUNDO

Gracias al Hubble los astrónomos obtuvieron una imagen llamada Campo Ultra Profundo o Hubble Ultra Deep Field (HUDF), en la cual se aprecian objetos demasiado tenues a nuestro alcance para poder verlos antes. Incluye galaxias antiguas que surgieron “tan sólo ”700 millones de años después del Big Bang.
Massimo Stiavelli, del Instituto Científico del Telescopio Espacial (STScI)en Baltimore y líder del proyecto HUDF, señaló:“La imagen es la mirada más profunda de lo visible que hayamos logrado jamás, donde un objeto con la brillantez de una luciérnaga sobre la luna sería visible ”.
Afirmó que esta nueva imagen es seis veces más sensible que las vistas anteriores del cielo profundo y cuatro veces mejor que las tomas anteriores del Hubble llamadas Campos Profundos y hechas en 1995 y 1998.
El campo HUDF contiene un estimado de 10, 000 galaxias en un trozo de cielo de un décimo del diámetro de la luna llena, localizado en la constelación de Fornax, una región justo debajo de la constelación de Orión. El Hubble requirió un millón de segundos para hacer esa toma HUDF que aparece en un área que parece vacía si se observa con instrumentos desde la tierra.
Esta visión histórica (HUDF) en realidad consta de dos imágenes separadas, tomadas por la Cámara Avanzada para Inspecciones del Hubble (ACS) y la Cámara Cercana a Infrarrojo y Espectrómetro Multi Objetos (NICMOS).

¿La decadencia?
Todas las cosas tienen un principio y un final.
Mientras estamos desarrollando este artículo, en pleno año 2004, el Hubble está librando una más de sus batallas, ésta, quizás, decisiva.
La NASA, por iniciativa de su Administrador Sean O ’Keefe, está analizando la posibilidad de finiquitar las funciones del telescopio espacial a pesar de la oposición de la comunidad astronómica.
La batalla para evitar la jubilación del telescopio espacial la encabeza la senadora por el estado de Maryland, Barbara Mikulsky, quien afirma que no se puede tomar una decisión de este tipo de manera unilateral. “Creo que el futuro del Hubble no debe ser decidido por un solo hombre en un cuarto trasero de la NASA sin un proceso transparente. ” Afirmó la senadora. .
Y es que, tal parece, el legendario telescopio se podría convertir en una de las primeras víctimas de la nueva política espacial dictada desde la Casa Blanca con la que quieren revivir los esfuerzos para poner al hombre en el espacio, iniciando por retomar los viajes tripulados a la luna. Esto sería parte de un esfuerzo de los Estados Unidos para, eventualmente, llegar con naves tripuladas a Marte. Todo esto como parte de la visión de avance en materia aeroespacial de la administración Bush. Sin embargo, los recursos económicos que se utilicen en ese sentido estarán escaseando para el mantenimiento y permanencia del Hubble.
El telescopio espacial está equipado con seis giroscopios, de los Óptica cuales ya varios han sido reemplazados y sólo cuatro están funcionando actualmente. Aunque se necesitan por lo menos tres, los ingenieros están ya tratando de idear un esquema para poder apuntar el telescopio con sólo dos giroscopios, cuando llegue el momento.
Las baterías, cargadas por paneles solares, están también dando muestras de cansancio y se dice que, así podrían durar otros 3 años o bien fallar este mismo año. Cuando dejen de funcionar el telescopio podría comenzar a girar sin control y esto a la vez dificultar un regreso controlado del aparato a la superficie de la tierra, o del mar, en este caso. El Hubble es muy grande para arriesgar una caída sin control.
El sucesor del Hubble está ya definido.
Los planes para la construcción y colocación del telescopio espacial James Webb siguen adelante. Se espera lanzarlo en el año 2011.
El JWST (James Webb Space Telescope) será construido para ver objetos en luz visible e infrarroja, él área de su espejo será seis veces más grande que la del Hubble. Su objetivo será estudiar las primeras estrellas y galaxias que se formaron cuando nació el universo. El JWST operará a 1. 5 millones de kilómetros de la Tierra.
Sin embargo, pese a todo, actualmente no hay otro telescopio en operación o en planeación, que pueda ver tan lejos en el universo como el viejo Hubble. La reciente develación del Campo Ultra Profundo permitió valorar lo importante que es este aparato para los científicos. Esta foto fue posible porque los astronautas de la misión del 2002 repararon la cámara infrarroja y adaptaron una nueva cámara para luz visible. Ambas cámaras se combinaron para hacer imágenes del mismo espacio.
Está listo un nuevo arreglo a la cámara infrarroja que la haría diez veces más poderosa, esto permitiría a los investigadores reinspeccionar el Campo Ultra Profundo y analizar con mayor agudeza las galaxias lejanas. Los astrónomos sabrían no sólo el tamaño de esas galaxias, sino de qué están hechas. Pero esta actualización depende de la decisión final de los altos mandos en política espacial de los Estados Unidos.