¿Por qué usan rayos láser en los grandes observatorios astronómicos?

El pasado 26 de abril, un nuevo sistema de láseres entró en funcionamiento en el observatorio VLT de Cerro Paranal, en la Región de Antofagasta. La primera luz de estos láseres (se llama primera luz a la primera vez que un instrumento astronómico entra en funcionamiento) fue un espectáculo impresionante, digno casi de ciencia ficción, en pleno del Desierto de Atacama:

Los cuatro rayos del nuevo sistema láser emergiendo de la Unidad de Telescopio 4 del VLT. Crédito: ESO/F. Kamphues

Más allá de lo genial que puede ser disparar rayos láser hacia el cielo, éstos son de increíble utilidad para las observaciones astronómicas. Los telescopios ubicados en la Tierra, si bien son cada vez más poderosos, siempre tendrán un límite: la atmósfera. Esta capa de gas que rodea nuestro planeta y que nos mantiene vivos es un obstáculo insalvable para los astrónomos. Es por eso que un telescopio en tierra nunca podrá competir con un telescopio espacial en términos de definición y resolución en sus imágenes.

Sin embargo, la tecnología ha permitido minimizar el efecto de la atmósfera en gran medida, haciendo que las observaciones realizadas desde nuestro planeta sean cada vez mejores. Y los rayos láser tienen un papel fundamental en este proceso.

¿Cómo afecta la atmósfera a las observaciones astronómicas?

Refracción en un vaso de agua: el lápiz se ve partido. Imagen: Universidad de Pennsylvania
Refracción en un vaso de agua: el lápiz se ve partido. Imagen: Universidad de Pennsylvania

Te invito a hacer un pequeño y muy sencillo experimento: toma un vaso de agua y pon un lápiz en su interior. Al mirar el vaso de frente, notarás que el lápiz parece estar partido en dos. Esto se debe a un efecto llamado refracción: cuando la luz pasa de un medio de propagación a otro, por ejemplo del agua al aire, cambia de dirección. En el experimento del lápiz, la parte del lápiz que está fuera del agua refleja luz que llega directamente a nuestros ojos, mientras que la luz que refleja la parte sumergida está desviada por el cambio de medio.

Refracción de la luz
Refracción de la luz

Esta refracción ocurre en cualquier fluido, incluyendo el aire. Todo rayo de luz que venga de un objeto astronómico y que sea detectado por un telescopio en la Tierra ha pasado por la atmósfera de nuestro planeta. La atmósfera tiene distintas capas, las cuales se encuentran a distinta temperatura, y poseen distintos tipos de turbulencias y perturbaciones debido a vientos, humedad, y otros fenómenos atmosféricos normales. Esto genera que la luz proveniente de las estrellas sea refractada constantemente a medida que pasa por la atmósfera. Esta serie de refracciones es lo que causa el titilar de las estrellas que vemos en el cielo. En términos astronómicos, este efecto recibe el nombre de seeing.

El seeing afectando observaciones de la superficie de la Luna. Gif por Philipp Salzgeber vía Wikimedia Commons.
El seeing afectando observaciones de la superficie de la Luna. Gif por Philipp Salzgeber vía Wikimedia Commons.

Que las estrellas (o cualquier objeto astronómico que se quiera observar) titilen es muy malo para las observaciones científicas. Las mediciones en astronomía deben ser lo más exactas que se pueda, pero esto no es fácil cuando el brillo de la estrella no es constante debido al titilar. Además, la mayoría de las veces se necesita observar un objeto por varias noches seguidas, pero el seeing no es el mismo todas las noches, ya que la atmósfera está en constante movimiento. El seeing también afecta el tamaño de las estrellas, ya que la refracción hace que éstas no se vean como puntos en el cielo, sino más bien como discos, que pueden cambiar de tamaño de una noche a otra.

Láseres al rescate: óptica adaptativa

Si la atmósfera perturba la luz que llega de los objetos astronómicos… ¿habrá alguna forma de medir esta perturbación, y corregir las observaciones?

A fines de los años 1980s se desarrolló una nueva tecnología que permite minimizar los efectos de la atmósfera sobre las observaciones astronómicas. Recibe el nombre de óptica activa, y se basa en el uso de espejos deformables en los telescopios. La idea es medir la perturbación que produce la atmósfera, y que el telescopio pueda deformarse de manera de anular el efecto atmosférico en la imagen final, manteniendo el punto focal en una posición fija y obteniendo así imágenes más nítidas.

Pistones bajo el espejo del telescopio Subaru.
Pistones bajo el espejo del telescopio Subaru.

El primer prototipo de óptica activa se utilizó durante los años 1990 y 1991 en el telescopio de 3.6 metros del Observatorio Astronómico La Silla. El espejo poseía 52 pistones, que subían y bajaban conforme el espejo debía ser deformado. Luego del éxito de estas primeras pruebas se determinó que el próximo gran proyecto astronómico, el Obsevatorio VLT de Cerro Paranal, contaría con óptica activa en sus cuatro telescopios.

Suena bien, pero la óptica activa no sirve por si sola con sus espejos deformables: se necesita también una forma de medir precisamente los movimientos de la atmósfera. Un buen punto de partida es usar una estrella muy brillante y cuya luminosidad sea conocida, las que suelen llamarse estrellas de catálogo. Estas estrellas han sido estudiadas por muchos años y se conoce su comportamiento y su luminosidad. Si analizamos cómo la atmósfera afecta el flujo lumínico de estas estrellas, el efecto puede ser cuantificado y utilizado para deformar el espejo. Esta combinación de óptica activa con el uso de estrellas de referencia recibe el nombre de óptica adaptativa.

Dibujando estrellas artificiales

Sin embargo, el uso de estrellas reales como referencia limita bastante las observaciones, ya que no siempre se va a observar una parte del cielo donde se ubique alguna de estas estrellas lo suficientemente brillante. La función de los rayos láser en este proceso es generar “estrellas” artificiales en el cielo. Al disparar el láser hacia la atmósfera y monitorear constantemente cómo se distorsiona la luz de éste, el espejo puede deformarse para corregir en tiempo real las observaciones.

El primer sistema de óptica adaptativa del VLT. Ahora son cuatros rayos. Crédito: ESO/H.H.Heyer
El primer sistema de óptica adaptativa del VLT. Ahora son cuatros rayos. Crédito: ESO/H.H.Heyer

La ventaja de usar rayos láser en lugar de estrellas reales es que siempre se puede apuntar el láser hacia un punto cercano al que quiero observar. Además, el sistema computacional directo que existe entre los detectores del láser y el espejo hacen que la corrección sea extremadamente rápida.

Crédito: ESO/G. Hüdepohl
Crédito: ESO/G. Hüdepohl

Hasta hace algunas semanas, el VLT contaba con un rayo láser para óptica adaptativa. El nuevo instrumento se llama 4 Laser Guide Star Facility (4LGSF) y genera cuatro rayos láser de 22 watts con un alcance de 90 kilómetros. El contar con cuatro estrellas artificiales permitirá obtener una precisión mucho mayor en las observaciones, preparando así al observatorio para recibir nuevos y más modernos instrumentos de observación. Además, servirá como período de prueba para el E-ELT, que en el año 2020 se convertirá en el telescopio óptico más grande del planeta, y que también contará con óptica adaptaviva.

Si bien la óptica adaptativa aún no es perfecta, y distintos esfuerzos por mejorar aún más la tecnología se realizan constantemente, el uso de esa técnica ha pavimentado el camino a las observaciones que se llevarán a cabo en los megatelescopios de las próximas décadas.

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