El ALMA de lo invisible

El observatorio ALMA ha batido récords tecnológicos en todos los frentes, y sus primeros resultados auguran un brillante futuro

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Montserrat Villar y Xavier Barcons
CAB (INTA-CSIC) e IFCA (CSIC-UC) y Presidente del Consejo de ESO
Tags: ALMA, observatorio

Vemos el mundo que nos rodea porque nuestros ojos son sensibles a la luz visible, también denominada radiación óptica. Sin embargo, lo percibimos de una forma muy incompleta, pues dicha radiación representa tan solo una fracción minúscula del espectro electromagnético de la luz. Este se extiende desde los rayos gamma hasta las ondas de radio, abarcando longitudes de onda imperceptibles en su mayoría para el ojo humano. Para detectar esas otras formas de luz o radiación necesitamos cámaras e instrumentos especiales.
En astronomía sucede lo mismo. Cuando observamos el universo con instrumentos sensibles a distintos tipos de luz se nos revelan fenómenos físicos e incluso objetos astronómicos distintos. Para obtener una imagen global y con ello construir un modelo coherente del cosmos necesitamos no solo estudiar astros de muy diversa naturaleza sino además hacerlo cubriendo la radiación en todas las longitudes de onda.
Así, algunos de los fenómenos más fascinantes y misteriosos del universo, como el nacimiento de las estrellas y los planetas o la formación de las galaxias, suceden en entornos casi invisibles para los telescopios ópticos. El gas frío presente en las galaxias, en forma de moléculas o de agregados moleculares llamados genéricamente “polvo”, es el ingrediente esencial para que se terminen formando estrellas y planetas. Pero el gas y el polvo impiden que la luz visible pueda escapar de esas zonas. Podemos apreciarlo en la imagen superior, donde se muestra nuestra galaxia, la Vía Láctea, en el infrarrojo y en luz óptica: una parece el negativo de la otra. Las zonas oscuras aparentes en la imagen óptica albergan hervideros de formación de estrellas y planetas, que no podemos ver porque se hallan escondidos en el interior de enormes y frías nubes de polvo y gas. Por el contrario, estas mismas regiones tienen un brillo muy intenso en la imagen infrarroja, debido a que el propio polvo, aunque absorbe la luz visible de las estrellas jóvenes, la reemite con gran intensidad en el infrarrojo. Las moléculas del gas también emiten radiación en longitudes de onda incluso más largas, llamadas milimétricas y submilimétricas.

Círculos de estrellas sobre las antenas de ALMA (ESO/B. Tafreshi)

 

Por tanto, para investigar cómo nacen las estrellas, los planetas y las galaxias, es imprescindible detectar y estudiar el material frío (gas molecular y polvo) a partir del que se forman. Se encuentra a temperaturas muy bajas (tan solo a unas pocas decenas de grados por encima del cero absoluto) y por ello  utilizamos el término “universo frío”. Este material emite copiosamente en longitudes de onda infrarrojas, milimétricas y submilimétricas. Utilizando telescopios e instrumentos sensibles a esta radiación se abren nuestros ojos al universo frío. En este artículo nos centraremos en las longitudes de onda milimétricas y submilimétricas, que por brevedad llamaremos sub/mm. Esta luz tiene longitudes de onda de entre unos 0,3 milímetros hasta un centímetro, ocupando la zona del espectro que existe entre el infrarrojo por debajo y las ondas de radio por encima.

Los ojos de lo invisible

La astronomía sub/mm aborda temas relacionados con una gran variedad de áreas de la astrofísica siendo, como hemos visto, esencial para la investigación del nacimiento de las estrellas, los planetas y las galaxias. Aunque hasta recientemente hemos contado con variedad de instalaciones optimizadas para la astronomía sub/mm, nada iguala las capacidades de ALMA, el observatorio astronómico más potente del mundo, cuya construcción ha implicado una auténtica revolución tecnológica. Se trata, también, del mayor proyecto astronómico en tierra desarrollado hasta el momento, y de la primera instalación científica de esta envergadura verdaderamente global, en la que participan varios continentes.

ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) fue inaugurado oficialmente el 13 de marzo de 2013. Una vez finalizado, sus sesenta y seis antenas de alta precisión (la superficie de cada una de ellas tiene una rugosidad menor que catorce micras) situadas en el Llano de Chajnantor (Chile) a cinco mil cien metros de altitud, operarán en toda la banda espectral desde los 0,3 a los 9,6 milímetros. Las condiciones de extremada sequedad atmosférica existentes en Chajnantor lo convierten en un lugar privilegiado para la astronomía sub/mm.

De las sesenta y seis antenas (ya terminadas), cincuenta y cuatro tienen doce metros de diámetro y las otras doce, siete metros. Aunque la finalización de la construcción (salvo la residencia, que se espera terminar en 2015) está prevista durante el 2013, la operación científica comenzó ya en septiembre de 2011 con  una versión reducida de ALMA (dieciséis antenas). Ese ALMA incipiente superó ya con creces a cualquiera de sus predecesores en la observación sub/mm, como el interferómetro de Plateau de Bure (IRAM) o el Submillimeter Array (SMA).
La señal recibida por todas las antenas se combina en tiempo real mediante una técnica llamada interferometría. Para ello, las antenas se pueden disponer sobre un total de ciento noventa y dos bases en el Llano de Chajnantor, separadas entre sí hasta dieciséis kilómetros (en la actualidad están funcionando solamente unas configuraciones más compactas, con separaciones de hasta un kilómetro). Cada antena, que pesa más de cien toneladas, se puede transportar gracias a dos gigantescos transportadores diseñados a tal efecto. De esta manera funcionan como un único telescopio de tamaño variable, de hasta unos seis mil quinientos metros cuadrados de superficie colectora, similar al área de un campo de fútbol, pero dispuestas sobre una superficie infinitamente mayor.
Hacer que ALMA funcione como un telescopio de ondas sub/mm es todo menos trivial. Para ello hace falta que las señales que envían las antenas de su observación del cielo estén perfectamente sincronizadas, con una precisión de una millonésima de millonésima de segundo. Además, el camino recorrido por esta señal desde su llegada a cada antena hasta que se combina en el ordenador central (llamado correlador) debe conocerse con una exactitud similar al grosor de un cabello humano. El correlador es el gran cerebro de ALMA, y con sus más de quince petaflops es el ordenador más rápido jamás instalado en un observatorio astronómico. Se necesitarían tres millones de ordenadores portátiles para hacer las mismas operaciones.
ALMA bate récords tecnológicos en todos los frentes, convirtiendo la ficción en realidad. Su sensibilidad es tan alta que permite detectar radiaciones sub/mm extremadamente débiles. ALMA es capaz de detectar en unos minutos objetos astronómicos que necesitan decenas de horas de exposición para ser observados con otras instalaciones. Gracias a ello descubre de forma rutinaria galaxias hasta ahora invisibles por la debilidad de la radiación que emiten.
Podemos además obtener imágenes de altísima resolución espacial o nitidez. Eso significa que ALMA es capaz de separar las imágenes de parejas de fuentes extremadamente juntas en el cielo y que la tecnología anterior confundía en una sola. En longitudes de onda sub/mm esta capacidad de ALMA no tiene precedentes. Podrá alcanzar una resolución espacial diez veces superior a la del telescopio espacial Hubble.
Así, resolución espacial y sensibilidad combinadas están permitiendo hacer un censo mucho más fiable del número de galaxias existentes, incluyendo galaxias muy débiles que habían permanecido invisibles hasta ahora en longitudes de onda más cortas.
La cooperación internacional global y el gran paso tecnológico que ha comportado el proyecto han propiciado que ALMA se halle dos pasos por delante de sus predecesores en numerosos aspectos. Muchas de las primeras observaciones realizadas con ALMA han representado verdaderos descubrimientos, algunos hasta ahora insospechados.

Embriones de planetas

Hace menos de veinte años que se descubrió el primer planeta extrasolar (también llamado exoplaneta) orbitando alrededor de otra estrella. Desde entonces se ha confirmado la existencia de al menos setecientos más. Su estudio tiene interés tanto para comprender cómo se forman los sistemas planetarios, incluido el Sistema Solar, como para investigar la posibilidad fascinante de que algunos de ellos alberguen alguna clase de vida. Detectar planetas en formación y estudiar las diferentes fases de su evolución es extremadamente difícil. Dado que el material a partir del que se gestan emite una fracción importante de la radiación en ondas sub/mm, ALMA permite su estudio con gran detalle, gracias a su resolución espacial y sensibilidad altísimas. Ayuda además el hecho de que la estrella emite luz muy débil en este rango del espectro, de modo que su brillo no “deslumbra” comparado con la emisión del material protoplanetario, como ocurriría en luz visible.

Izda: observaciones de ALMA del disco que rodea la estrella HD 142527, que presenta enormes chorros de gas (en las posiciones de un reloj a las tres y a las diez en punto). El polvo de la parte exterior del disco se muestra en rojo y el gas denso de los chorros que fluye a través del hueco y en la parte exterior del disco se aprecia en verde. Dcha: impresión artística del disco y los chorros de gas. (ALMA -ESO/NAOJ/NRAO-, S. Casassus et al).
 

ALMA ha estudiado recientemente la joven estrella HD 142527, situada a cuatrocientos cincuenta años luz de la Tierra. La rodea un disco de gas molecular y polvo, compuesto por los deshechos de la nube a partir de la cual se originó la estrella (imagen pág. contigua). En discos similares aparecen los embriones protoplanetarios. Según la teoría, estos crecen a medida que avanzan y limpian el material que encuentran en el disco, provocando además corrientes de gas que fluyen a través del mismo. Succionando material, los protoplanetas crecen hasta convertirse en planetas gigantes. Los nuevos datos obtenidos con ALMA han mostrado por primera vez evidencia directa de estas corrientes en el disco que rodea a la estrella HD142527.
Los ladrillos de la vida
Las observaciones astronómicas del medio interestelar y de los cuerpos del Sistema Solar, así como los análisis de laboratorio de muestras de meteoritos, han demostrado la existencia de moléculas orgánicas en ambientes muy diferentes del cosmos, desde las nubes interestelares hasta los cometas. Dichas moléculas son los ladrillos fundamentales para el desarrollo de la vida. Puesto que están por todas partes, esto implica que no fue necesaria una química privilegiada en la Tierra primitiva para impulsar las reacciones en las que se sintetizaron esas unidades básicas precursoras de la vida.

Región de formación estelar Rho Ophiuchi, captada en luz infrarroja por el Wide-field Infrared Explorer (WISE) de la NASA. IRAS 16293-2422 es el objeto rojo en el centro del cuadrado más pequeño. En el círculo se ilustra la estructura molecular del glicolaldehído.  Créditos: ESO/L. Calçada y NASA/JPL-Caltech/Equipo de WISE.

 

El glicoaldheído es una de tales moléculas orgánicas. Se trata de una forma simple de azúcar que, aunque venenoso, no es muy diferente del que ponemos en nuestro café. Es un ingrediente esencial para la formación del ARN que, al igual que el ADN, es uno de los componentes fundamentales de la vida. ALMA ha detectado esta molécula en el gas que rodea una estrella de masa similar a la de nuestro Sol, a una distancia similar a la que separa Urano del Sol. La estrella, llamada IRAS 16293-2422, se halla a unos cuatrocientos años luz (izda.).
Aunque el glicoaldheído ya se había encontrado en el espacio interestelar, el descubrimiento de ALMA nos lleva un paso más allá: demuestra que al menos algunos componentes básicos de la vida existían ya en el momento y el lugar adecuados para incorporarse en los planetas durante su formación.
Paso a paso la ciencia expande cada vez más nuestra visión hacia la posibilidad de que la aparición de la vida en el universo haya sido la regla, más que la excepción.

Ha nacido una estrella

Las estrellas recién nacidas son objetos muy violentos. Pueden expulsar chorros de material con velocidades de más de un millón de kilómetros por hora. A medida que estos avanzan, chocan, se desparraman y rebotan contra el gas de la nube molecular en la que se ha gestado la estrella. Se forman así nebulosas cuyas imágenes nos asombran por su belleza. El aspecto nos recuerda a las figuras que forma el humo de un cigarrillo. Son los llamados objetos Herbig Haro.

Esta imagen del objeto Herbig-Haro HH46/47 combina las observaciones de ALMA con la imagen en luz visible captada por el New Technology Telescope. Las observaciones de ALMA (naranja y verde, abajo a la derecha) de la estrella recién nacida revelan un gran chorro de gas molecular que hasta ahora había pasado desapercibido, oculto en luz visible por el gas y el polvo de la gran nube donde ha nacido la estrella. A la izquierda (color morado) destaca la parte visible del chorro. Fuente: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/ESO/H. Arce.

 

Recientemente se han publicado los resultados del estudio del objeto Herbig Haro 46/47 basado en datos obtenidos con ALMA. En investigaciones anteriores en luz visible parte de la nebulosa había permanecido oculta, al estar oscurecida por grandes cantidades de gas y polvo. ALMA, que ha detectado la radiación emitida por las moléculas de monóxido de carbono en el rango sub/mm, ha revelado nuevos chorros de gas que además avanzan a una velocidad mayor de lo que se pensaba y, por tanto, transportan más energía.
La gran sensibilidad de ALMA ha permitido estudiar este objeto con un detalle sin precedentes. Las observaciones, que duraron cinco horas, se realizaron cuando el radiotelescopio disponía de tan solo entre dieciséis y dieciocho antenas. Aún así, para obtener datos de calidad similar con otros telescopios se hubiera necesitado diez veces más tiempo.

El misterio de las galaxias desaparecidas

¿Por qué no hay casi galaxias gigantes? Según las predicciones de los modelos de formación y evolución de galaxias, deberían ser mucho más numerosas de lo que observamos. ¿Existe algún mecanismo que impida crecer a las galaxias por encima de un cierto límite y que no hemos tenido en cuenta en los modelos? Los “supervientos” podrían ser la respuesta (ver revista IAA número 39).

Visualización tridimensional del gas molecular en la  galaxia del Escultor, situada a 115 millones de años luz del Sistema Solar. El eje vertical muestra la velocidad y el eje horizontal la posición a lo largo del centro de la galaxia. Los colores representan  la emisión detectada por ALMA. Los datos indican que grandes cantidades de gas están siendo expulsadas de la galaxia, convirtiéndola así en un lugar hostil para la formación de nuevas generaciones de estrellas. Fuente: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / Erik Rosolowsky.

 

Si una estrella recién nacida es capaz de expulsar grandes chorros de material, muchas estrellas juntas multiplicarán el impacto, dando lugar a los llamados “supervientos galácticos”. Se trata de fenómenos devastadores capaces de expulsar de la galaxia enormes cantidades de energía y materia. En su avance, los supervientos chocan con el medio interestelar por el que se propagan, arrastrándolo, acelerándolo y calentándolo.
Resultados recientes de ALMA sugieren que estos mecanismos extremos son capaces de barrer y arrojar fuera de las galaxias reservas enormes de gas molecular, lo que hace que dejen de formarse estrellas debido a la falta de materia prima. Las imágenes muestran chorros gigantescos de gas que están siendo expulsados de la galaxia del Escultor desde regiones con una intensa actividad de formación estelar. Puesto que este es el combustible a partir del que se forman las estrellas, el que era un ambiente propenso para la aparición de nuevas generaciones estelares se convierte así en un escenario totalmente yermo (imagen superior).

Ciencia sin fronteras

ALMA está a la vanguardia del conocimiento científico y tecnológico. La mecánica de precisión que se empleó para construir sus antenas, la obra civil a cinco mil metros o la tecnología de sus receptores están verdaderamente en la frontera de lo que la humanidad es capaz de desarrollar. Paralelamente, el grado de conocimiento que ALMA permite alcanzar es sencillamente fascinante.
Proyectos como ALMA demuestran que la ciencia no sabe de fronteras. Hacen posible que miles de personas compartamos el lenguaje universal de la ciencia para sumergirnos en los misterios más profundos del universo, en los confines de lo desconocido. Profesionales y aficionados a la
astronomía miramos al Llano de Chajnantor con la emoción que inspiran los retos extraordinarios y con los ojos abiertos a descubrimientos sorprendentes.

España y ALMA

ALMA es el resultado de un esfuerzo global. El consorcio responsable de su construcción está integrado por países de Europa, de Norteamérica y del Este de Asia, en colaboración con Chile, que alberga las instalaciones. El observatorio fue concebido como tres proyectos independientes en Europa, Estados Unidos y Japón en la década de 1980. En los 90 se fusionaron en uno. La construcción comenzó en 2003. La participación europea se realiza a través de ESO (Observatorio Europeo Austral). Se trata de la principal organización astronómica intergubernamental para instalaciones terrestres y la integran quince países, entre ellos España. Del coste total de la construcción de ALMA, estimado en unos mil doscientos millones de euros,  ESO aporta el 37.5%.
La construcción de una infraestructura tan avanzada como ALMA en la veintena de estados que participan en el proyecto ha supuesto un reto enorme, afortunadamente superado en su práctica totalidad. Para España en concreto, ha sido una auténtica historia de éxito. Aunque miembro de pleno derecho de ESO tan solo desde el año 2007, nuestro país se implicó en ALMA ya a finales de los años 90, durante la misma génesis del proyecto. Desde el inicio se buscaron e identificaron cuidadosamente posibles oportunidades para nuestra industria y los centros de I+D. Los contratos para la construcción de ALMA que se han ejecutado en España ascienden a más de 20 millones de euros.
 

ALMA(ESO/NAOJ/NRAO), J. Guarda.

Entre los elementos más visibles destacan las estructuras de acero de las veinticinco antenas europeas, así como sus anclajes en las ciento noventa y dos bases en las que se pueden colocar las sesenta y seis antenas de ALMA en el Llano de Chajnantor. La ingeniería de la estación de aprovisionamiento de energía de más de ocho megavatios que energiza todo el observatorio también fue contratada a una empresa española. Entre las aportaciones de muy alta tecnología destacan la provisión de amplificadores de bajo ruido para los front-ends de distintas bandas, software de calibración, elementos del oscilador local o unidades de calibración en el laboratorio de integración europeo. A fecha de hoy todos los sistemas entregados por la industria española a ALMA funcionan correctamente dentro de sus especificaciones, lo que supone una excelente carta de presentación para proyectos futuros.
Desde mucho antes de que ALMA comenzara la operación científica en 2011, en los centros de investigación españoles existía una intensa actividad de planificación científica para estar totalmente preparados cuando se diera el pistoletazo de salida para la explotación científica del observatorio. En la primera llamada de proyectos de observación con ALMA, astrónomos de todo el mundo enviaron un total de casi mil propuestas, entre las que fueron seleccionadas ciento doce. Este nivel de demanda, casi diez veces superior al tiempo de observación disponible, demuestra el entusiasmo de los investigadores, incluso en la etapa inicial del observatorio. Investigadores de países miembros de ESO estuvieron al frente de treinta y cinco de los proyectos aprobados, y entre ellos cinco liderados por astrónomos de centros españoles. En la segunda llamada de proyectos en 2012 el nivel de presión fue de nuevo muy elevado. De las mil ciento treinta y una propuestas enviadas, ciento noventa y tres tuvieron éxito, con cincuenta y tres de ellas lideradas por investigadores miembros de ESO. En esta ocasión tres proyectos de observación estuvieron liderados por centros españoles.
A finales del 2013 se anunciará una nueva convocatoria, para la que los astrónomos estamos preparándonos de nuevo.



Sobre el autor:

Montserrat Villar y Xavier Barcons
CAB (INTA-CSIC) e IFCA (CSIC-UC) y Presidente del Consejo de ESO



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