El universo a través de nuevos ojos

Los astrónomos están cada vez menos detrás de un telescopio que observando la pantalla de un computador. A ésta llegan hoy imágenes y datos que hasta hace poco era inimaginable conseguir. Internet permite que científicos en todo el mundo puedan estudiar fenómenos a partir de observaciones que ni siquiera estaban en los objetivos originales de esas tomas.

Luis Felipe Barrientos | Departamento de Astronomía y
Astrofísica, Facultad de Física

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El telescopio Hubble: un ojo en el espacio

Cuando el Telescopio Espacial Hubble (Hubble Space Telescope o HST) fue puesto en órbita en abril de 1990, comenzó una nueva era para la investigación en astronomía. Después de un comienzo complicado, a raíz de una falla en la forma del espejo primario que fue compensada en diciembre de 1993, el telescopio ha tenido una gran influencia en nuestra actual percepción del universo. Uno de los proyectos que motivaron la puesta en órbita de este instrumento fue la determinación del valor de la constante de Hubble (la razón entre la velocidad de alejamiento de un objeto y su distancia), la cual en último término determina la escala del universo. Hoy conocemos este valor con gran precisión. Otra de las áreas en que el telescopio espacial ha tenido un gran impacto ha sido en el estudio sobre la formación y evolución de las galaxias como la nuestra.
La excelente visión del telescopio espacial no sólo se debe a su gran calidad óptica, sino principalmente al hecho de estar por sobre la atmósfera de la Tierra. Ella, al estar compuesta por gases que están en continuo movimiento, sujetos a diferentes presiones y temperaturas, hace que la luz de los objetos distantes como estrellas o galaxias se refracte. Debido a la gran distancia a la que se encuentra una estrella de nosotros, ésta debería verse de un tamaño muy pequeño, casi como un punto; sin embargo, su imagen aparece como un disco de tamaño variable. El efecto de la atmósfera sobre la imagen de las estrellas o galaxias es similar al que tendríamos al observar las aves en vuelo desde el fondo de una piscina llena.
El impacto científico del telescopio espacial ha ido más allá de la generación de datos de primera calidad: ha cambiado la forma de hacer astronomía. Como no es posible estar físicamente presente en el telescopio espacial y por lo tanto no se puede tomar decisiones en tiempo real, tal como se hace en un telescopio clásico ubicado en la Tierra, se ha hecho necesario crear un nuevo protocolo de interacción entre el astrónomo y los responsables de las observaciones. Una vez que la propuesta de observación ha pasado por el escrutinio de un panel de expertos y se ha asignado el tiempo de observación, se debe indicar precisamente todos los detalles de las observaciones, incluyendo las calibraciones requeridas. Entonces todas las observaciones del semestre entran en una base de datos, de donde se van seleccionando para su ejecución.
Una vez que se realizan las observaciones, se envían los datos de manera digital a los investigadores que los solicitaron. Ellos tienen un año de exclusividad sobre esa información; pasado este período, cualquier astrónomo puede acceder a ellos a través de sitios en internet. Esta forma de operación, introducida en los 90, ha permitido que muchos astrónomos tengan acceso a observaciones de primerísima calidad y que aquéllas que se hicieron con un objetivo muy definido se utilicen para realizar otro tipo de estudios muy diferentes del originalmente planeado. Por ejemplo, las observaciones del campo profundo del Hubble, realizadas durante 150 órbitas del telescopio espacial para producir las imágenes más profundas y con ello detectar las galaxias más distantes para estudiar su evolución, las utilizaron René Méndez y Dante Minniti (astrónomos de las Universidades de Chile y Católica, respectivamente) para establecer una cota superior a la masa de la Galaxia en forma de estrellas.
El protocolo de observaciones del telescopio espacial fue adaptado en algunos observatorios en tierra, como por ejemplo las cuatro unidades del Very Large Telescope (VLT) en el observatorio de Cerro Paranal. Este nuevo modo de observación se denomina de servicio, a diferencia del tradicional en el cual el astrónomo realiza las observaciones por sí mismo. El modo de servicio tiene muchas ventajas por sobre el modo de observación clásico; las principales son:
a. El uso óptimo de las condiciones de observación. Algunos programas requieren condiciones atmosféricas extraordinariamente buenas para obtener datos que permitan cumplir los objetivos científicos.
b. El control de las condiciones de observación
–y por lo tanto su completa caracterización– hace posible que astrónomos que no hayan participado en la definición o toma de las observaciones puedan utilizarlas eficazmente. Las tomas del telescopio VLT tienen un período de exclusividad para el astrónomo proponente de doce meses.
La introducción del modo de servicio en los nuevos observatorios ha generado naturalmente masivas bases de datos disponibles a la comunidad. Uno de los pioneros en esta área es el Centro de Datos Astronómicos Canadiense (CADC), en el cual se albergan 62 terabytes (unas 620 veces la capacidad de un disco duro moderno) de información, de los cuales 15 Tb se agregaron sólo el último año. El centro también ha evolucionado entregando cada vez una oferta más interesante, con análisis y herramientas más complejas.

Observatorios virtuales: mirar sin estar ahí

Dado el gran éxito que han tenido los centros de datos antes descritos, principalmente por el número de investigadores a los que sirven y el volumen de datos que se transfieren, se están impulsando nuevas y más ambiciosas iniciativas en este ámbito. Así es como en Estados Unidos y Europa se están implementando dos proyectos similares bajo el concepto de observatorios virtuales. Éstos alojarán enormes volúmenes de datos, tanto en forma de catálogos como de imágenes astronómicas, los cuales se podrán distribuir físicamente en varios centros y a los cuales se podrá acceder a través de internet. Los observatorios virtuales permitirán realizar proyectos y estudios que bajo los marcos clásicos serían imposibles o muy difíciles de desarrollar; por ejemplo, el estudio de una estrella variable con una base temporal de décadas. También se podrá llevar a cabo estudios del universo sin haber visitado ninguno de los observatorios actualmente en operación.
Esta nueva forma de hacer investigación en astronomía, cada vez menos romántica y alejada de los telescopios, será más común en el futuro. Todos los nuevos observatorios, como por ejemplo el *radiotelescopio ALMA, que estará en operación en Chile durante los próximos años (ver artículo de Mónica Rubio en este dossier), incluyen en el corazón de su diseño la implementación de una base de datos donde se guardarán y desde donde se podrán recuperar frecuentemente las observaciones. La gran revolución en la información ha alcanzado a la astronomía y durante los próximos años veremos sus frutos.

Evolución de galaxias: el pasado en foco

Hoy sabemos que el universo tiene una edad aproximada de unos catorce mil millones de años, y está constituido por planetas, estrellas, nubes de gas y galaxias, entre otros objetos. También sabemos que durante las primeras etapas del universo, éste era extremadamente denso y muy caliente, con lo cual la materia y la radiación interactuaban muy intensamente. El modelo que da cuenta de la evolución del universo y de la transformación de las semillas iniciales hasta las actuales galaxias goza de gran aceptación dentro de la comunidad astronómica. Sin embargo, en los detalles, tales como cuándo se formaron las primeras estrellas o galaxias, la discusión aún permanece abierta.
Creemos que la formación de las estructuras que hoy pueblan nuestro universo se ha producido en forma jerarquizada, comenzando con estructuras de muy baja masa. Estas estructuras pequeñas han ido interactuando entre sí, colisionando o fundiéndose, para formar progresivamente estructuras mayores, con una velocidad que depende en primer término de la cantidad de materia disponible en el universo. Uno de los conflictos experimentados hace algunos años era la escala temporal en que los principales procesos ocurrían, pero las observaciones (principalmente aquellas derivadas del telescopio espacial) han mostrado que las galaxias grandes y masivas como la nuestra ya estaban presentes cuando el universo tenía sólo un tercio de su edad actual. De hecho, aproximadamente la mitad de las estrellas que vemos hoy se formaron durante ese primer tercio.
Dado que la escala temporal de los procesos de evolución de estrellas o galaxias es tan grande, no es posible estudiar los cambios de esos objetos observándolos individualmente. Se hace necesario estudiar poblaciones bien definidas para determinar su historia evolutiva. Por otro lado, el hecho de que la luz tenga una velocidad finita (muy alta, pero finita) naturalmente produce el efecto de que mientras más lejano un objeto, lo observamos en una etapa más temprana en la historia del universo. Supongamos, por ejemplo, que en este momento nos llegan dos fotones, uno de un planeta en el sistema solar y otro de una galaxia muy distante. El fotón que viene del planeta ha viajado solamente durante unos minutos hasta llegar a nosotros; sin embargo, el fotón que viene de una galaxia distante puede haber tomado fácilmente millones o miles de millones de años hasta alcanzarnos. Por lo tanto, hoy vemos esa galaxia como era hace millones o miles de millones de años. Es decir, podemos entender que los telescopios son como verdaderas máquinas del tiempo que nos permiten observar el pasado del universo.
El análisis de poblaciones de galaxias para estudiar su evolución es sin duda una técnica muy poderosa, pero tiene asociada una gran dificultad: no es fácil relacionar galaxias observadas a distintas épocas. El estudio de la evolución de galaxias es similar al estudio de la evolución de una familia (y sus miembros), en la que simplemente se observan fotos de un niño, sus padres y abuelos, junto con aquellas de personas de otras familias o inclusive de otras razas.
En astronomía hay dos formas de superar esta dificultad: 1) Haciendo un censo completo en cada época que uno quiere estudiar, o bien 2) estudiar una familia bien definida, la que sea posible seguir con relativa facilidad. La primera estrategia tiene la gran ventaja de que uno estudia toda la población de galaxias, pero la gran desventaja de que es muy cara en términos de tiempo de telescopio. Mis colaboradores y yo hemos optado por el camino alternativo, que es el estudio de galaxias elípticas en la regiones centrales de cúmulos de galaxias.

Los datos, de todos

Mientras trabajaba en mi tesis de doctorado en Toronto, mis compañeros de trabajo y yo nos dimos cuenta de que las primeras observaciones de cúmulos de galaxias después de la reparación óptica del telescopio espacial se habían hecho públicas y cualquier astrónomo podía usarlas. Éstas, únicas en ese tiempo, incluían objetos cuya luz nos llegaba desde una época en la cual el universo tenía menos de un tercio de su edad actual. Los cúmulos de galaxias, grandes conglomerados de éstas, están constituidos por galaxias de todos los tipos; sin embargo, son reconocidos por tener una parte importante de galaxias elípticas (por lo general rojas, sin formación estelar aparente y carentes de *brazos espirales). La comparación de esta población de galaxias en cúmulos a distintas distancias, y por lo tanto en distintas épocas, y la suposición de que corresponden a la misma población vista en distintas etapas de su vida, nos llevaron a la conclusión de que estas galaxias son intrínsecamente más luminosas en el pasado. Su evolución es consistente con una formación temprana de estrellas y posteriormente sin mayor actividad. Es decir, las estrellas que forman estas galaxias van simplemente apagándose con el tiempo. Este trabajo, presentado en 1996, fue la primera detección de este efecto, que hoy ha sido confirmado por varias investigaciones.
El estudio fue posible gracias a la existencia de los archivos del telescopio espacial y al acceso a estos datos en forma simple a través de internet. El trabajo mencionado anteriormente debe haber sido uno de los primeros en utilizar datos públicos del telescopio espacial y ciertamente el primero en el cual yo estaba involucrado. La filosofía y el ejercicio de realizar estudios con datos tomados por otros no era en absoluto común como es hoy. De hecho, parte de las observaciones con las que trabajamos habían sido realizadas por otro astrónomo y antes de publicar nuestro trabajo nos comunicamos con él para informarle lo que habíamos hecho. No sabíamos cómo se tomaría el que hubiéramos utilizado datos pertenecientes a otros. Hoy esta preocupación no tendría sentido, lo que nos muestra lo mucho que hemos avanzado en pocos años.