Un peine para medir el Universo

Los instrumentos astronómicos necesitan responder a preguntas cruciales, como la búsqueda de planetas como la Tierra o la forma en que el Universo se expande, con la mayor precisión posible.

Los científicos presentaron un nuevo método de calibración de espectógrafos para obtener mediciones más precisas, con una técnica llamada "peine de frecuencias láser".

Un peine de frecuencias, que es la luz de un pulso láser, consiste en muchos colores que son sólo revelados al ser observados con un espectómetro de alta resolución, como los que se usan en telescopios astronómicos. Las líneas espectrales del peine pueden ser estabilizadas a la frecuencia dada en el gráfico usando un reloj atómico.
Crédito:Theodor Hänsch

"Parece como si fuéramos a cumplir uno de los sueños de los astrónomos", dice Theodor Hänsch, director en el Instituto de Óptica Cuántica Max Planck (MPQ) en Alemania. Hänsch, junto con John Hall, fue galardonado con el Premio Nobel 2005 en Física por su trabajo que incluye la técnica de peine de frecuencia.

Los astrónomos usan instrumentos llamados espectógrafos para estudiar la luz de los objetos celestes, separándola en sus colores o frecuencias, de la misma forma en que las gotas de agua crean un arcoiris de la luz solar. Así, pueden medir las velocidades de las estrellas, galaxias y otros objetos, buscar planetas alrededor de otras estrellas o estudiar la expansión del Universo. Un espectógrafo debe estar precisamente calibrado para que las frecuencias de luz puedan ser correctamente medidas. Es similar a nuestra necesidad de tener reglas precias para medir distancias correctamente. En este caso, un láser provee esa clase de "regla", para medir colores en vez de distancias, con una precisión extrema.

Nuevos y muy precisos espectógrafos serán necesarios en experimentos planificados para el futuro Telescopio Europeo Extremadamente Grande (E-ELT), que está siendo diseñado por el Observatorio ESO. Estos nuevos espectógrafos deberán ser calibrados con "reglas" muy precisas, tanto como una parte en 30 mil millones!

"Necesitaremos algo más allá de lo que la tecnología actual puede ofrecer, y ahí es donde el peine de laser frecuencia se pone en juego. Vale recordar que la clase de precisión requerida, 1 cm/s, corresponde, en el plano focal de un espectógrafo típico de alta resolución, a unas pocas décimas de un nanometro, esto es, el tamaño de algunas moléculas", explica la estudiante de doctorado y miembro del equipo de ESO, Constanza Araujo-Hauck.

La nueva técnica de calibración proviene de la combinación de la astronomía y la óptica cuántica, en una colaboración entre investigadores de ESO y el MPQ. Utiliza pulsos ultra cortos de luz láser para crear un "peine de frecuencia", luz de muchas frecuencias separada por un intervalo constante, para crear la clase de "regla" precisa para calibrar un espectógrafo.

Luego de pruebas exitosas en el laboratorio MPQ en 2007, el equipo probó con satisfacción un dispositivo prototipo usando el peine láser en el Telescopio Solar VTT (Vacuum Tower Telescope) en Tenerife, el 8 de marzo de 2008, midiendo el espectro del Sol en luz infrarroja. Los resultados son impresionantes, según los científicos, y la técnica promete alcanzar la precisión necesaria para estudiar las grandes preguntas astronómicas.

Esquema del experimento
Usando un telescopio, la luz del Sol fue empalmada a una fibra óptica que la guía a un espectómetro (prisma) para detectar sus líneas espectrales. Estas líneas espectrales del Sol (Líneas Fraunhofer) aparecen como bandas oscuras porque representan las longitudes de onda de la luz que han sido absorbidas por la fotosfera del Sol. Sobreimpuestas hay muchas líneas espectrales cortas, brillantes (blanco) del peine de frecuencias láser.  Gráfica del experimento:ESO

"En nuestras pruebas en Tenerife, ya hemos alcanzado una precisión de vanguardia. Ahora haremos el sistema más versátil y lo desarrollaremos más", dice Tilo Steinmetz de Menlo Systems GmbH, compañía del Instituto Max Planq fundada para comercializar la técnica.

Una nueva versión del sistema está siendo creada para el instrumento buscador de planetas HARPS en el telescopio de 3.6 m de ESO en La Silla, Chile, antes de ser considerado para futuras generaciones de instrumentos.
Uno de los ambiciones proyectos a ser realizados por el E-ELT, llamado CODEX, intentará medir la recientemente descubierta aceleración del universo en forma directa, al seguir las velocidades de distantes galaxias y cuásares por un período de 20 años. Esto permitiría a los astrónomos poner a prueba la Teoría General de la Relatividad de Einstein y la naturaleza de la misteriosa energía oscura.

"Debemos medir el movimiento de estas galaxias distantes, unos pocos centímetros por segundo, y seguirlo por décadas. Estas velocidades son bastante más rápidas que el ritmo de un caracol, y la el peine de láser frecuencia es absolutamente crucial para esto", dice Antonio Manescau de ESO.

Los astrónomos también usan espectógrafos para cazar planetas alrededor de otras estrellas, al observar los sutiles movimientos de la estrella mientras el planeta la orbita. Para ser detectados con la actual tecnología, esos planetas deben ser relativamente masivos o estar muy cerca de su estrella, comparados con la Tierra. Un espectógrafo más preciso permitiría a los astrónomos encontrar planetas con características similares al nuestro.

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Fuentes y links relacionados

• ESO:A FINE-TOOTH COMB TO MEASURE THE ACCELERATING UNIVERSE
• Laser Frequency Combs for Astronomical Observations
  Tilo Steinmetz et al.
  Science 5 Septiembre 2008: Vol. 321. no. 5894, pp. 1335 - 1337
  DOI: 10.1126/science.1161030
• New Scientist:Laser 'comb' used to disentangle Sun's light
  
• Materiales suplementarios sobre el Peine de Frecuencias láser

Vía: Noticias del Cosmos