Eliminando el centelleo del cielo nocturno

Un avance en la óptica adaptativa permite a los astrónomos obtener imágenes de la calidad del telescopio espacial sobre un amplio campo de visión, pero aquí en la Tierra.

Crédito: M. Hart

Si usted es como la mayoría de la gente, es probable que disfrute del titilar de las estrellas que cubren el cielo en una noche clara de verano. Pero, si usted es un astrónomo, es probable que le resulte muy molesto.

Un equipo de astrónomos de la Universidad de Arizona, liderado por Michael Hart, ha desarrollado una técnica que le permite eliminar el centelleo en un amplio campo de visión, lo que permite a los telescopios basados en la superficie de la Tierra obtener imágenes tan nítidas como las tomadas por el telescopio espacial Hubble y mucho más rápidamente.

La técnica llamada óptica adaptativa láser, se describe en la edición del 5 de agosto de 2010 de la revista Nature.

La turbulencia atmosférica desdibuja la luz de los objetos celestes en el momento en que llega al espejo de un telescopio terrestre. La mayor parte de la distorsión ocurre a menos de dos kilómetros y medio del suelo, donde el calor que va en aumento hacia la superficie alborota el aire.

Se puede pensar la óptica adaptativa láser como los auriculares con cancelación de ruido, sólo que para las ondas de luz en lugar de las ondas de sonido. Un haz de rayos láser y un espejo flexible en la óptica del telescopio forman el corazón del sistema.

Desde su observatorio en el Monte Hopkins, al sur de Tucson, Arizona, Hart y su grupo apuntan un haz de rayos láser verde en el cielo nocturno. Algo de la luz del láser rebota en las moléculas de oxígeno y nitrógeno en  lo alto de la atmósfera, creando cinco estrellas artificiales esparcidas en el campo de visión.

“Observamos lo que les hace la turbulencia atmosférica”, explica Hart, profesor de astronomía en el Observatorio Steward y en el departamento de astronomía de la  Universidad de Arizona. “La luz que se refleja nos dice lo que se necesita saber acerca de la turbulencia”.

Los datos de la turbulencia se incorporan después en una computadora que controla el espejo adaptativo, cuya parte posterior está tachonada de los llamados actuadores, pequeñas agujas magnéticas rodeadas de bobinas.

Cuando la computadora envía corrientes eléctricas a través de las bobinas, mueve los actuadores, algo no muy diferente de como un parlante traduce las señales eléctricas de un amplificador en movimientos de la membrana de sonido. El espejo adaptativo de Hart tiene 336 actuadores pegados en su espalda que hacen que el espejo se deforme lo suficiente como para anular el parpadeo causado por la atmósfera. Los movimientos correctivos son tan pequeños que el ojo humano no los puede ver y ocurren mil veces por segundo.

La diferencia entre un telescopio con óptica adaptativa y uno sin ella es similar a una cámara con estabilizador de imagen comparada con otra sin estabilización.

Según Hart, los astrónomos e ingenieros han realizado avances considerables sobre la óptica adaptativa, en los últimos 15 a 20 años, pero, hasta ahora, la tecnología sufría una limitación fundamental: el borrón atmosférico sólo puede ser eliminado a lo largo de una línea de visión muy estrecha.

“Es como ser capaz de ver con mucha agudeza a través de un agujero, mientras que el resto del campo de visión se parece a un vidrio esmerilado”, dijo Hart. “Nuestra técnica hace que el agujero sea más grande”.

Las leyes de la física imponen un equilibrio entre campo de visión y resolución. El grupo de Hart sacrifica parte de la muy alta resolución para obtener un campo visual más grande, pero para muchos esfuerzos científicos esta solución de compromiso  bien vale la pena, dijo.

Uno de esos esfuerzos es el estudio de galaxias muy antiguas que se formaron hace unos 10 mil millones de años, cuando el Universo tenía menos de un cuarto de su edad actual. Conocidas por los astrónomos como galaxias de alto corrimiento al rojo, estos objetos están a miles de millones de años luz de distancia.

“Para comprender la evolución de esas galaxias antiguas, tenemos que observar miles de ellas y estudiar sus características espectrales y composición química”, dijo Hart, “y obtener un espectro de una galaxia de alto desplazamiento al rojo lleva mucho tiempo porque son muy débiles”.

“Con nuestra nueva técnica de óptica adaptativa, se pueden ahora observar docenas a la vez. Muestrear miles de espectros de galaxias se torna factible”.

Los cúmulos de estrellas supermasivas son otro ejemplo.

“En esos cúmulos, las estrellas están naciendo mientras estamos conversando y es ahí donde tenemos que apuntar nuestros telescopios para aprender sobre los procesos que impulsan la formación de estrellas”.

“Todavía hay mucho que continúa siendo un misterio”, añadió Hart, “sobre todo porque estos cúmulos se extienden sobre varios campos de visión y están repletos de estrellas que parecen estar una dentro de la otra a menos que se pueda obtener una imagen súper-aguda”.

Pero para que los astrónomos puedan empezar a analizar espectros de luz de las estrellas en el cúmulo, como primera medida tienen que separarlas.

“Se necesita saber  cuáles de las estrellas son, en realidad, parte del cúmulo y cuáles están ahí sólo por compartir su línea visual”, explica Hart. “Para hacer eso, es necesario comparar imágenes tomadas con alrededor de un año de diferencia. Si usted encuentra que las estrellas, en el ínterin, se han movido, significa que no están unidas gravitacionalmente al cúmulo. Es mucho más fácil señalar la posición de una estrella si se tiene una imagen aguda que una borrosa”.

Con el nuevo sistema de óptica adaptativa, cúmulos de estrellas completos pueden ser examinados en una sola observación, escriben los autores en su artículo.

El grupo de Hart espera que su técnica se aplique en los grandes telescopios como el Telescopio Gigante Magallanes, que está siendo desarrollado por astrónomos de la Universidad de Arizona y de otros lugares.

“Todavía no hemos alcanzado el límite de nuestro sistema de óptica adaptativa”, dijo Hart. “Ahora podemos cancelar la turbulencia atmosférica en un campo de dos minutos de arco, que es aproximadamente el diámetro de una quinceava parte de la Luna llena”.

A distancias cósmicas del espacio profundo hay una gran cantidad de cúmulos de estrellas y un montón de galaxias de alto corrimiento al rojo.

Los coautores del artículo, junto a Hart, son: Mark Milton, Christoph Baranec (ahora en Observatorios Ópticos del Caltech, en Pasadena, California), Keith Powell, Thomas Stalcup (Observatorio Keck, Hawai), Don McCarthy, Kulesa Craig y Eduardo Bendek.

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Vía: El Mensajero de los Astros