Los supertelescopios del futuro: su mirada nos revelará los secretos del universo

Actualmente se está construyendo la nueva generación de telescopios terrestres cuyas prestaciones nos permitirán estudiar los fenómenos del universo como nunca antes. Telescopios como ELT, TMT y GMT marcarán el futuro.

Imagine que su superpoder consistiera en ver más de cuatro billones (millones de millones) de estrellas en el cielo. Un ser humano normal, con vista óptima y bajo un cielo ideal, podría acceder, como mucho, a unas cuatro mil. Este superpoder, el don de la vista de los dioses, es el que nos promete la nueva generación de supertelescopios.

Esta aventura dio comienzo en el año 1609, cuando Galileo apuntó su telescopio al firmamento y descubrió cosas antes nunca vistas. Desde entonces, la historia del telescopio ha recorrido su sendero caminando sobre dos piernas: la mejora de la calidad y el incremento del tamaño. En cuanto a la calidad, el desarrollo de materiales de composición cada vez más adecuada por sus propiedades ópticas o mecánicas, así como los avances teóricos y en los métodos de manufactura, han producido lentes y espejos cada vez más perfectos. Pero ¿por qué esa obsesión por el tamaño?

Espejos enormes

Consideremos el telescopio como un recolector de fotones. Los cuerpos celestes se muestran, en su mayoría, tan débiles, que para estudiarlos conviene recoger la mayor cantidad de luz posible. Para ello, hay que construir telescopios con superficies colectoras tan grandes como lo permita la tecnología. Este es el motivo que llevó a abandonar las lentes y adoptar los espejos como piezas centrales de los telescopios modernos, lo que supuso pasar de telescopios refractores, de no mucho más de un metro de diámetro, a los reflectores que han encontrado su límite en espejos de unos ocho metros.

Pero el ingenio humano no se ha detenido ahí y se adentra ahora en la era de los supertelescopios. Se exploran para ello dos vías: la de dotar a los espejos existentes con prestaciones especiales y la de combinar varios individuales para construir espejos mucho más complejos con tamaños asombrosos.

El Observatorio Vera C. Rubin da los últimos toques a su telescopio Simonyi, que se dedicará al proyecto LSST (legacy survey of space and time o estudio de legado del espacio y el tiempo). La construcción en el complejo astronómico que Estados Unidos tiene en el cerro Pachón (Chile) se ha enfrentado a varias dificultades, entre ellas la pandemia de COVID-19, lo que pone en peligro sus planes de dar al telescopio la primera luz a lo largo del año 2023. Aun así, se trata del supertelescopio en fase más avanzada.

Su novedad más destacada consiste en incorporar un espejo monolítico del máximo tamaño viable hoy día, 8,4 metros de diámetro, pero diseñado de manera que abarque un campo de visión enorme. Esta combinación de gran poder colector con una visión panorámica (unas siete veces el tamaño aparente de la luna llena) recibe el nombre de cobertura o, en la jerga técnica, étendue. Entre sus innovaciones cuenta con el diseño en forma de telescopio de reflexión triple en el que el espejo principal interviene dos veces en el proceso: la luz de las estrellas incide en el gran reflector con forma de anillo, rebota hacia un espejo secundario enorme (3,4 metros) y vuelve a reflejarse en el primario antes de caer sobre una cámara fotográfica prodigiosa.

Pero a las dificultades ya superadas por el proyecto LSST se añade ahora otra: las megaconstelaciones de satélites artificiales, una nueva forma de contaminación lumínica que resulta especialmente nociva para telescopios de gran cobertura como el Simonyi.

El proyecto LSST se basa en la toma de imágenes directas, lo que normalmente entendemos por fotografías digitales, y su técnica de análisis consiste en medir el brillo aparente de los astros muchas veces seguidas a lo largo del tiempo, en busca de fenómenos variables.

Telescopios multiespejo

Pero no todo puede hacerse en astrofísica mediante el análisis temporal del brillo de los astros. Es necesario estudiar en detalle objetos débiles individuales y, sobre todo, hay que descomponer la luz en esos arcoíris artificiales que llamamos espectros para acceder a los secretos más íntimos de los procesos cósmicos. Y la técnica implicada, la espectroscopia, es un monstruo devorador de fotones que solo puede alimentarse con telescopios cada vez mayores. Si la frontera de los ocho o nueve metros de diámetro parece un límite insuperable para la construcción de espejos, el ingenio humano ha encontrado una solución creativa: el montaje de espejos complejos a partir de piezas menores.

Los primeros experimentos con telescopios multiespejo se deben al finlandés Yrjö Väisälä, óptico, astrónomo, visionario y esperantista que se adelantó a las capacidades tecnológicas de su tiempo en la primera mitad del siglo XX. Su concepto revolucionario consistía en componer un solo telescopio reflector cuyo objetivo constara de siete piezas dispuestas en un patrón hexagonal. Este es el diseño del supertelescopio GMT: Giant Magellan Telescope o Telescopio Gigante Magallanes. Cada espejo de este monstruo medirá 8,4 metros de diámetro para reunir una abertura total equivalente de 22 metros. Se trata de un proyecto estadounidense cuya construcción ya se ha iniciado en el observatorio de Las Campanas, Chile. A pesar de que se planea empezar a utilizarlo con solo cuatro de los espejos, no está claro que el proyecto logre ver la primera luz en 2025 y hay quien retrasa la terminación del aparato hasta 2029.

Otros proyectos aspiran a levantar los mayores colectores de luz de la historia de la humanidad, auténticas catedrales astronómicas que a finales del siglo XX habrían parecido ocurrencias de la ciencia ficción, pero que ahora están al alcance de la mano: los telescopios extremadamente grandes. Los dos que se encuentran en construcción se basan en espejos segmentados, que componen grandes superficies colectoras a base de muchas piezas hexagonales de entre un metro y un metro y medio. Así, cada elemento queda sobradamente dentro de las capacidades tecnológicas de la óptica actual, aunque luego reste el desafío de ensamblar todas las teselas en un único espejo funcional. Esta idea ha alcanzado ya un éxito notable en los que hoy son los mayores telescopios ópticos del mundo.

Proyectos futuros

Primero se aplicó en los telescopios gemelos Keck, en Hawái, cada uno de los cuales combina 36 elementos de 1,8 metros. El Gran Telescopio Sudafricano (SALT, 91 elementos de un metro) y el Gran Telescopio Canarias (GTC, 36 piezas de 1,9 metros) siguen diseños similares. Todos estos ejemplos alcanzan aberturas equivalentes a unos 10 metros. El desafío ahora consiste en llevar esta tecnología a la escala de los treinta metros de abertura.

Los proyectos en curso son el europeo ELT y el estadounidense TMT. Las siglas ELT proceden de Extremely Large Telescope, es decir, Telescopio Extremadamente Grande, un nombre que, hay que reconocerlo, no resulta especialmente imaginativo. El proyecto americano no va a la zaga en cuanto a creatividad, dado que TMT, Thirty Meter Telescope, significa Telescopio de Treinta Metros, aunque en este caso sí cabe la alegría de comprobar que el universo estadounidense abraza el sistema internacional de unidades y por fin rehúsa medir las cosas en pulgadas.

El ELT, impulsado por el Observatorio Europeo Austral (ESO), se empezó a construir en 2014 en el cerro Armazones, Chile, a tan solo 23 kilómetros del otro gran observatorio de este consorcio internacional, el del cerro Paranal, que alberga un observatorio más con nombre de fantasía, el Very Large Telescope; literalmente, Telescopio Muy Grande.

El emplazamiento de estas infraestructuras se elige tras estudios detalladísimos de la calidad del cielo que implican, entre otros parámetros, la altitud sobre el nivel del mar. Quizá sorprenda, por tanto, que la primera labor para la erección del ELT consistiera en rebajar la altura del Armazones con una voladura que le restó casi 20 metros. Si bien es cierto que las dimensiones ciclópeas del edificio que albergará el telescopio, con nada menos que 80 metros de altura, acabarán por compensar la perdida más que de sobra.

Dos países de habla hispana, Chile y España, se encuentran embarcados en esta aventura. El proyecto europeo ELT por fin no va a la zaga de las iniciativas estadounidenses, sino que progresa con una ventaja clara, tanto de potencia (39 frente a 30 metros) como de plazos y de audacia en el diseño instrumental. Quizá por eso el proyecto americano ha optado por la única ventaja comparativa que le quedaba: la de instalarse, sin competencia, en el hemisferio norte, probablemente en Hawái, lo que además les permitirá disfrutar de una altitud mucho mayor que la del resto de iniciativas. Aunque tanto el ELT como el TMT pretenden dar a sus detectores la primera luz en torno al año 2027, y todo apunta a que esto sucederá antes entre los cerros del desierto de Atacama que en Mauna Kea.

A pesar de sus dimensiones descomunales, el diseño óptico básico de los telescopios extremadamente grandes sigue el patrón de todos los telescopios de investigación más pequeños. El espejo primario segmentado, cóncavo, capta la luz estelar y la proyecta sobre un espejo secundario de una sola pieza, que la reenvía de vuelta, concentrada, a través de un agujero en el espejo primario donde los fotones entran en un sistema más complejo que prepara la luz para su estudio mediante distintos instrumentos, que pueden ser cámaras para la obtención de imágenes directas o espectrógrafos para la toma de espectros.

Los espejos secundarios del ELT y del TMT, 56 Cuando el Extremely Large Telescope (ELT) esté terminado será el telescopio óptico/ infrarrojo más grande del mundo al contar con un espejo primario de 39,3 metros de diámetro. ELT/ESO de 4,25 y de 3,1 metros, respectivamente, superan por sí solos el tamaño de los espejos primarios de la mayoría de telescopios de investigación del mundo actuales.

Todo es tan enorme en estas máquinas que corremos el peligro de perder la perspectiva. Por ejemplo, el conjunto de segmentos que conforman el espejo primario del ELT suma una masa de 138 toneladas. Aunque no es poco, debemos tener en cuenta que se trata de espejos adelgazados, con tan solo unos 5 centímetros de grosor. En comparación, el Gran Telescopio Acimutal (BTA) soviético, de 6 metros de abertura, aún el mayor en el continente europeo, cuenta con un espejo primario cuya masa asciende a 42 toneladas. Visto así, el espejo del ELT parece incluso muy ligero, dado que proporciona más de cuarenta veces el área colectora del BTA, multiplicando la masa del primario por tan solo un factor 3,3.

Los grandes espejos de los telescopios deben mantener la forma de sus superficies con independencia del lugar del cielo al que apunten, lo que implica orientaciones muy variadas respecto de la vertical. Los diseños clásicos, como el BTA, confiaban el mantenimiento de la forma a la rigidez del propio espejo, lo que requería bloques extremadamente masivos. Sin embargo, los avances en micromecánica e informática permitieron, a partir de los años 80 del siglo XX, explorar otra alternativa: la óptica activa.

Esta idea, puesta en práctica por primera vez en 1989 en el New Technology Telescope (NTT, Telescopio de Nueva Tecnología) de 3,5 metros situado en La Silla (Chile), consiste en construir un espejo delgado y colocarlo sobre un soporte activo que, mediante sensores y motores, modifica su forma para compensar los efectos de la gravedad al apuntar en direcciones distintas. Así, el primario del NTT pesa tan solo 6 toneladas, cuando sus equivalentes de tecnología clásica duplicaban ese valor (el espejo del telescopio de 3,5 metros de Calar Alto tiene una masa de 12 toneladas). El adelgazamiento del espejo en el NTT fue muy tímido, con 24 cm de grosor, pero se llevó al límite en todos los telescopios modernos que lo sucedieron. La óptica activa unida al uso de materiales vitrocerámicos, que no cambian de forma o tamaño con la temperatura, permiten mantener la estructura de los espejos con desviaciones microscópicas.

Cuando se explican conceptos microscópicos es bastante habitual incrementar la escala de los objetos tratados hasta darles el tamaño de un campo de fútbol y ver cómo quedan entonces los detalles que se pretende describir. Pero sucede que el ELT ¡ya tiene de por sí las dimensiones de un estadio! Pero podemos redimensionar el espejo primario desde su diámetro real de 39 metros hasta el de la península Ibérica, digamos 1.000 km. A esta escala, las deformaciones toleradas en el espejo primario resultarían del orden de un milímetro. Así podemos hacernos una idea del desafío que supone la óptica activa a este nivel, sobre todo tratándose de un sistema compuesto por casi 800 piezas independientes.

Producir estrellas artificiales

El ELT es el modelo en que nos hemos basado para calcular la cantidad de estrellas que nos permitiría ver en el cielo este verdadero ojo de los dioses. Pero, claro está, eso sería así si el aparato estuviera diseñado para utilizar la vista como detector. Por desgracia, nadie mirará jamás a través de semejante maravilla. En lugar de los ojos, a los telescopios de investigación se acoplan detectores mucho más sensibles, capaces de capturar luz más allá del rango accesible a la vista humana y, además, con capacidad de analizar su composición espectral. Los supertelescopios de cualquier tipo van siempre acompañados de superdetectores no menos sorprendentes, productos de tecnología de vanguardia que implican precisiones mecánicas extremas y que a menudo funcionan a temperaturas criogénicas para acceder a la radiación infrarroja.

Todos los grandes telescopios deben contar con óptica adaptativa. La óptica adaptativa, que no debe confundirse con la óptica activa comentada más arriba, consiste en un sistema de una complejidad abrumadora que permite evaluar la perturbación causada por la turbulencia atmosférica y corregirla, a través de espejos deformables insertados en el camino óptico, para obtener imágenes tan finas como las tomadas por los telescopios espaciales. Algunos de estos sistemas utilizan unos potentísimos haces de luz láser para producir estrellas artificiales en las capas altas de la atmósfera, necesarias para medir la turbulencia. En funcionamiento brindan escenas dignas de las películas de ciencia ficción.

Tanto los supertelescopios como sus instrumentos suponen un festival óptico, mecánico y electrónico en el que se combina, en un aparato del tamaño de un estadio olímpico, la potencia industrial de una grúa portuaria con la precisión ultramicroscópica de un microscopio electrónico, todo ello para perseguir los secretos más profundos del universo.

Prestaciones nunca vistas

Tras todos estos proyectos late el impulso de grandes equipos ansiosos por explorar las fronteras de la astronomía. Los supertelescopios explorarán el Sistema Solar con prestaciones antes solo accesibles a sondas espaciales. Se descubrirán y caracterizarán miles de objetos pequeños del Sistema Solar y planetas alrededor de otras estrellas y, tal vez, se logrará detectar los primeros indicios de actividad biológica. Se avanzará en el conocimiento de los orígenes de los sistemas planetarios. Se esclarecerán fenómenos tan misteriosos y violentos como las fuentes explosivas radioeléctricas (FRB), las fuentes explosivas de rayos gamma (GRB) o los sucesos emisores de ondas gravitatorias. Se progresará en el conocimiento de los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias, se esclarecerá la historia de las galaxias locales y lejanas y se lograrán adelantos, esperemos, sobre la naturaleza de la materia y la energía oscuras, esos agentes desconocidos que conforman la mayor parte del cosmos y de los que dependen su pasado, su presente y su futuro.

La ciencia moderna quiso alejar al ser humano de los dioses que contemplaban los cielos desde el monte Olimpo, pero nos ha acabado llevando a otras cumbres desde las que ahora somos nosotros los que oteamos las alturas con la mirada de un dios.