Crédito de la imagen: Universidad de Arizona.
Hace más de 30 años, el Dr. Roger Angel llegó a la Universidad de Arizona, atraído por las condiciones favorables para la observación astronómica en el área de Tucson, Arizona: varios telescopios están convenientemente cerca y, por supuesto, el clima es maravillosamente templado. Pero ahora, Angel propone construir un telescopio en un lugar algo más remoto y no tan agradable: un cráter polar en la luna.
Angel, conocido por sus innovaciones en espejos telescópicos ligeros y óptica adaptativa, ahora lidera un equipo de científicos de EE. UU. Y Canadá que están explorando la viabilidad de construir un Observatorio Infrarrojo de Campo Profundo cerca de uno de los polos lunares utilizando un Telescopio Espejo Líquido (LMT). ).
Este concepto es una de las 12 propuestas que comenzaron a recibir financiación el pasado mes de octubre del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA (NIAC). Cada uno recibe $ 75,000 por seis meses de investigación para realizar estudios iniciales e identificar desafíos en el desarrollo. Los proyectos que superan la primera fase son elegibles para hasta $ 400,000 más durante dos años.
Los LMT se fabrican haciendo girar un líquido reflectante, generalmente mercurio, sobre una plataforma en forma de cuenco para formar una superficie parabólica, perfecta para la óptica astronómica. Isaac Newton propuso originalmente la teoría, pero la tecnología para crear realmente un dispositivo de este tipo con éxito solo se ha desarrollado recientemente. En la actualidad, solo se utilizan un puñado de LMT, incluido un LMT de 6 metros en Vancouver, Canadá, y una versión de 3 metros que la NASA usa para su Observatorio Orbital de Escombros en Nuevo México.
En la Tierra, los LMT tienen un tamaño limitado a unos 6 metros de diámetro porque el viento autogenerado que proviene de girar el telescopio perturba la superficie. Además, al igual que otros telescopios terrestres, los LMT están sujetos a la absorción y distorsión atmosférica, lo que reduce en gran medida el alcance y la sensibilidad de la observación infrarroja. Pero la luna libre de atmósfera, dice Angel, proporciona la ubicación perfecta para este tipo de telescopio mientras suministra la gravedad necesaria para que se forme el espejo parabólico.
El potencial de un LMT en la luna es hacer un telescopio muy grande. Como referencia, el telescopio espacial Hubble tiene un espejo de 2,4 metros y el telescopio espacial James Webb (JWST) que se está desarrollando para su lanzamiento en 2011 tendrá un espejo de 6 metros. El concepto de la propuesta de NIAC de Angel es un espejo de 20 metros, pero con la investigación que el equipo ha realizado hasta ahora, ahora están buscando crear espejos muy grandes, siendo 100 metros la opción más grande. También están considerando LMT más pequeños. 'Obviamente, no podemos ir a la luna y hacer un espejo de 100 metros lo primero', dijo Angel. 'Estamos viendo una secuencia de tamaños de escala de 2 metros, 20 metros y 100 metros, y estamos viendo cuál es el potencial para cada uno'. Angel cree que el telescopio de 2 metros podría fabricarse sin ninguna presencia humana en la luna y configurarse como un telescopio robótico, al igual que los instrumentos científicos de los rovers de Marte que están operando ahora.
La limitación de un espejo líquido es que solo apunta hacia arriba, por lo que no es como un telescopio estándar que puede apuntar en cualquier dirección y rastrear objetos en el cielo. Solo mira el área del cielo que está directamente arriba.
Entonces, el objetivo científico de un LMT no es mirar todo el cielo, sino tomar un área del espacio y mirarla intensamente. Este tipo de astronomía ha sido muy 'rentable', como lo describió Angel, en términos de la riqueza de información que se ha recopilado. Algunos de los esfuerzos científicos más productivos del telescopio espacial Hubble han sido sus fotografías de 'campo profundo'.
Poder mirar solo un área del espacio en todo momento lleva a Angel y su equipo a buscar en uno de los polos lunares la mejor ubicación para este telescopio. Al igual que en los polos de la Tierra, mirar directamente hacia arriba desde los polos de la Luna siempre proporciona el mismo campo de visión extragaláctico. 'Si vamos al polo norte o sur de la luna, vamos a tomar imágenes de un fragmento de cielo todo el tiempo, y eso te permite hacer una integración extremadamente profunda, mucho más profunda incluso que el campo profundo del Hubble'. Combine eso con una gran apertura, y este telescopio proporcionaría una profundidad de observación incomparable con cualquier telescopio en la Tierra o en el espacio. 'Ese es el nicho o la fuerza particular de este telescopio', dijo Angel.
Otra ventaja de los espejos líquidos es que son muy económicos en comparación con el proceso de hacer un espejo estándar creando, puliendo y probando una pieza de vidrio grande y rígida, o creando piezas más pequeñas que tienen que ser pulidas, probadas y luego unidas muy precisamente. Además, los LMT no necesitan monturas, soportes, sistemas de seguimiento ni domos costosos.
“Se espera que el costo total del telescopio James Webb supere los mil millones de dólares, con el precio en el espejo solo alrededor de un cuarto de millón de dólares”, dijo Angel. “Ese espejo mide 6 metros, así que si escalamos esa tecnología a espejos aún más grandes en el espacio, eventualmente vamos a romper el banco y no podremos pagarlos con la tecnología actual de hacer el espejo pulido y llevándolo al espacio '.
Aunque el telescopio de 2 metros sería un prototipo, aún sería astronómicamente valioso. 'Podríamos hacer cosas complementarias al Telescopio Espacial Spitzer y al Telescopio Webb, ya que el telescopio de 2 metros en la Luna llenaría el territorio entre esos dos telescopios'. Un espejo de 20 metros proporcionaría una resolución 3 veces mayor que el JWST, y al integrar, o dejar el 'obturador' abierto durante períodos prolongados, como un año, se podrían ver objetos 100 veces más tenues. Un espejo de 100 metros proporcionaría datos fuera de serie.
Uno de los desafíos en el desarrollo de un LMT en la luna es crear los cojinetes para hacer girar la plataforma sin problemas y a una velocidad constante. Los cojinetes de aire se utilizan para LMT en la Tierra, pero sin aire en la Luna, eso es imposible. Angel y su equipo están analizando cojinetes de levitación criogénica, similares a los que se utilizan para los trenes de levitación magnética para obtener un movimiento sin fricción mediante el uso de un campo magnético. Angel agregó: “Como beneficio adicional, con las bajas temperaturas en la luna puedes hacerlo sin gastar energía porque puedes hacer un imán superconductor que te permite hacer un rodamiento de levitación que no requiere una entrada continua de energía eléctrica. '
Angel llamó a los cojinetes un componente crítico del telescopio. “Sin aire en la luna para crear viento, no hay límite de tamaño o para alcanzar la precisión que necesita siempre que el rumbo sea correcto”, dijo Angel.
Una evolución del proyecto desde que recibió la financiación del CANI es la ubicación del telescopio. En la propuesta inicial, el equipo de Angel favoreció el polo sur de la luna en el cráter Shackleton. Pero el polo norte en realidad ofrece un mejor campo de visión para la observación extragaláctica, se dieron cuenta, y Angel espera los datos del orbitador lunar SMART-1 de la Agencia Espacial Europea que recientemente comenzó a estudiar las regiones polares de la luna.
“En las regiones polares hay algunos cráteres donde el sol nunca ilumina y nunca calienta el suelo”, dijo Angel. “Hace mucho frío allí, no muy por encima del cero absoluto. En lugar de construir el telescopio en condiciones tan hostiles, intentaríamos construir el telescopio en un pico de cualquiera de los polos, donde habría luz solar casi continuamente. Esto proporcionaría energía solar y las condiciones serían mejores para las personas que viven allí. Todo lo que tienes que hacer es colocar una pantalla cilíndrica de Mylar alrededor del telescopio para evitar que el sol lo golpee y se enfriará como en el fondo de los cráteres '.
Con la observación infrarroja, un telescopio frío es vital para poder ver objetos más fríos y más débiles en el espacio. Tener el telescopio cerca del cero absoluto (0 grados Kelvin, -273 C, -460 F) sería ideal. Dado que el mercurio se congelará a esas temperaturas, otro desafío para el proyecto es encontrar el líquido adecuado para hacer girar el espejo. Algunos de los candidatos son etano, metano y otros pequeños hidrocarburos, como los líquidos encontrados en Titán por la sonda Huygens, que aterrizó en la luna más grande de Saturno el 14 de enero.
“Pero estos líquidos no son brillantes, así que tienes que descubrir cómo depositar un metal brillante como el aluminio directamente sobre la superficie del líquido”, dijo Angel. “Normalmente, cuando hacemos un telescopio astronómico, hacemos los espejos de vidrio, que no refleja mucho y luego evaporas aluminio o plata sobre el vidrio. En la luna tendríamos que evaporar el metal sobre el líquido en lugar de sobre el vidrio '.
Esa es una de las áreas clave de investigación bajo el premio NIAC. En los estudios iniciales, el equipo de Angel pudo evaporar un metal en un líquido, aunque todavía no a las bajas temperaturas requeridas. Sin embargo, los resultados los alientan hasta ahora.
El equipo de Angel es atípico para un proyecto de NIAC, ya que es una colaboración internacional y el NIAC no financia socios internacionales. “Sucede que todos los expertos mundiales en la fabricación de telescopios giratorios de espejo líquido están en Canadá, por lo que era esencial que si estábamos pensando en hacer eso en la luna los trajeramos”, dijo Angel. 'Afortunadamente, han venido con su propio boleto, por así decirlo, y están entusiasmados con el proyecto'.
Los miembros canadienses del equipo son Emanno Borra, de la Universidad Laval en Quebec, que ha estado investigando y construyendo LMT desde principios de la década de 1980, y Paul Hickson, de la Universidad de British Columbia, quien, con la ayuda de Borra, construyó el LMT de 6 metros en Vancouver. Otros colaboradores incluyen a Ki Ma de la Universidad de Texas en Houston, que es un experto en cojinetes criogénicos, Warren Davison de la Universidad de Arizona, que es un experto en ingeniería mecánica en telescopios, y la estudiante de posgrado Suresh Sivanandam.
El NIAC se creó en 1998 para solicitar conceptos revolucionarios de personas y organizaciones ajenas a la agencia espacial que pudieran promover las misiones de la NASA. Los conceptos ganadores se eligen porque 'empujan los límites de la ciencia y la tecnología conocidas' y 'muestran relevancia para la misión de la NASA', según la NASA. Se espera que estos conceptos tarden al menos una década en desarrollarse.
Angel dice que recibir el premio NIAC es una gran oportunidad. “Sin duda, escribiremos una propuesta para la Fase II (del financiamiento del CANI)”, dijo. “Hemos identificado durante la Fase I cuáles son algunos de los problemas más críticos de este proyecto y qué pasos prácticos debemos tomar ahora. Hemos abierto algunas preguntas y hay algunas pruebas sencillas que podemos hacer para ver si hay algún impedimento o no '.
El mayor obstáculo para hacer realidad el Observatorio Infrarrojo Lunar está, muy probablemente, completamente fuera de las manos de Angel. “La luna es un lugar muy interesante para hacer ciencia”, dijo Angel. 'Sin embargo, se basa en un compromiso sustancial de recursos por parte de la NASA para regresar a la luna'. Ciertamente, para construir los grandes telescopios de 20 o 100 metros tendría que haber una presencia tripulada en la luna. “Entonces”, continuó Angel, “al enganchar tu ciencia en esa dirección, te conviertes en la cola de un perro muy grande sobre el cual no tienes absolutamente ningún control”.
Angel espera que la NASA y los Estados Unidos puedan mantener el impulso de la Visión para la Exploración Espacial y regresar a la Luna. “Creo que, en última instancia, mudarse al espacio es algo que los humanos tienen el impulso de hacer y que harán en algún momento”, dijo Angel. “Cuando eso sucede, es importante tener cosas interesantes que hacer una vez que lleguemos allí. Tenemos que saber por qué dejamos la superficie de este planeta para ir a la luna. Estamos explorando, sí, pero podemos explorar no solo la luna, sino usarla como un lugar para realizar investigaciones científicas más allá de la luna. Creo que es algo que en el panorama general debería suceder '.
Nancy Atkinson es un escritor independiente y embajador del Sistema Solar de la NASA. Vive en Illinois.