Un univers d’instruments per a l’observació astronòmica

Durant els darrers cent anys, l’ús del telescopi òptic com a eina fonamental per a l’exploració de l’univers s’ha vist complementat per una bateria d’instruments que han obert noves vies d’exploració astronòmica. Des del punt de vista qualitatiu, podem agrupar aquestes noves eines en dos grans fronts: d’una banda l’obertura de tot l’espectre electromagnètic (i no tan sols la llum visible) per a l’observació astronòmica i d’una altra l’ús de l’espai com a ubicació de les nostres eines d’exploració remota o in situ dels cossos astronòmics. Naturalment, el domini d’un munt de tecnologies ha estat la clau per a aquests progressos; malgrat tot, han estat sovint les necessitats científiques les que han promogut també els reptes tecnològics. Ciència i tecnologia han anat de la mà en aquesta excursió tan fascinant.

Tot començà al primer quart del segle xx, i com passa sovint, per casualitat. Tot investigant l’origen del soroll a les transmissions telefòniques transoceàniques amb una antena unidireccional, Karl Jansky conclogué que era degut al pas de la nostra galàxia pel cel. Amb això s’obria la radioastronomia, és a dir l’observació de l’univers en ones de ràdio, a longitud d’ona de metres, centímetres o fins i tot mil·límetres.

Avui dia la radioastronomia a ones centimètriques ofereix la millor resolució espacial, mitjançant tècniques interferomètriques. El senyal rebut simultàniament per diferents antenes amb els seus receptors es combina, obtenint la resolució angular equivalent a la d’una antena virtual gegant. El VLA (Very Large Array) a Socorro, és el paradigma d’interferometria connexa, on el senyal de les seves 27 antenes que es poden moure fins a una separació de 36 km es combina en temps real. Per assolir resolucions angulars més grans, la interferometria de molt llarga base usa antenes de ràdio localitzades a distàncies de milers de km (fins i tot a diferents continents), però allà el senyal es guarda i es combina després als centres de correlació, com al JIVE (Joint Institute for VLBI in Europe), a Dwingeloo, Holanda. La resolució angular que s’assoleix és de mil·lèsimes de segon d’arc. Fins i tot es treballa per fer interferometria no connexa entre antenes a terra i a l’espai.

L’observació a ones de ràdio mil·limètriques és notablement més difícil, sobretot per la influència del vapor d’aigua atmosfèric. Els observatoris d’ones mil·limètriques, com els del consorci IRAM al Plateau de Bure (Alps francesos) o a Pico Veleta, són a llocs particularment alts i secs. ALMA és el projecte global d’astronomia mil·limètrica, actualment en construcció al Llano de Chajnantor, prop de San Pedro de Atacama (Xile) a 5.100 metres d’alçada. Tindrà 66 antenes que es podran configurar sobre una separació de quasi 10 km, en un lloc on les condicions atmosfèriques són possiblement úniques. Això ha portat pràcticament tots els països a consorciar-se al voltant d’aquest projecte (Europa, EUA, Canadà, Japó i Taiwan), que esperem que s’acabi de construir cap al 2012.

L’observació de radiació infraroja i visible ha guanyat en sensitivitat i qualitat un munt d’ordres de magnitud des dels temps de Galileu. Part d’aquest progrés espectacular ha vingut de la construcció de telescopis més grans, i situats en llocs privilegiats. Avui dia tenim telescopis com el Gran Telescopi de Canàries (GTC) de més de 10 metres de diàmetre, i també el Very Large Telescope (VLT) conjunt de quatre telescopis de 8 metres cadascun, que juntament amb altres quatre telescopis mòbils menors (d’1,8 metres) poden fer interferometria amb la llum visible i infraroja i per tant veure l’univers amb una resolució altíssima.

Malgrat que la llum visible i part de la infraroja es pot observar des de la superfície de la terra, l’accés a l’espai ha estat clau també per al progrés a aquestes bandes. En primer lloc perquè la qualitat de la imatge que s’obté en absència d’atmosfera és superior; d’aquí que el Telescopi Espacial Hubble (HST) hagi portat una autèntica revolució a l’astronomia tradicional. Val a dir que avui dia, i gràcies a tècniques d’òptica adaptativa, els efectes nocius de les turbulències atmosfèriques sobre les imatges astronòmiques a la banda òptica es poden corregir parcialment; això, però, només és possible encara sobre petites zones del cel. Addicionalment, l’accés a les longituds d’ona infraroges més llargues es complica fins i tot des de llocs particularment alts i secs; d’aquí que missions com ISO (Infrared Space Observatory), Spitzer o el més recent Herschel són pràcticament les úniques opcions que tenim per a observar a l’infraroig llunyà, especialment important per a estudiar molècules i la formació d’estels.

L’accés científic a les radiacions de longitud d’ona més curta que la llum visible ha estat paral·lel al desenvolupament de la tecnologia espacial. L’atmosfera de la Terra absorbeix eficientment (per fortuna) la radiació ultraviolada, els raigs X i els raigs gamma. Tota aquesta branca de l’astronomia ha crescut durant els darrers cinquanta anys, quan hem estat capaços de posar en òrbita i operar sondes espacials. A la banda ultraviolada, l’observatori IUE (International Ultraviolet Explorer), en funcionament durant dinou anys, ens aportà la principal eina d’exploració en aquesta banda de l’espectre electromagnètic; només el telescopi espacial Hubble (HST) mantingué aquesta finestra a l’univers parcialment oberta durant uns anys.

La banda de raigs X només es va obrir a començament dels anys seixanta, i portà des del principi importants sorpreses: estels com el Sol emeten poca radiació X, però d’altres, com estels de neutrons, nans blancs o forats negres, són potentíssims emissors de raigs X. Després d’un seguit de missions en òrbita, la tecnologia ha permès que avui dia disposem de vertaders telescopis que focalitzen i detecten raigs X des de l’espai, amb unes prestacions molt avançades. En combinació, les tres missions actualment en funcionament, Chandra, XMM-Newton i Suzaku, poden fer imatges d’alta resolució i espectres de resolució mitjana i baixa.

Els raigs gamma són més escassos i encara més difícils de focalitzar que els raigs X. Malgrat tot, innovadores tècniques ens han permès obtenir imatges en baixa resolució de l’univers a aquestes longituds d’ona. INTEGRAL (International Gamma-Ray Astronomy Laboratory), fins ara l’observatori de raigs gamma de baixa energia més sensible, ens ha donat una visió panoràmica de la nostra galàxia. La missió Fermi ens donarà la primera visió comparable de l’univers, però a longituds d’ona de l’ordre d’un nucli atòmic, mil vegades més petites que INTEGRAL i per tant mil vegades més energètiques.

Les radiacions encara més energètiques, al rang del Tera-electron-volts (TeV) poden ser detectades de manera indirecta des de la superfície de la Terra. Això és degut al fet que en desintegrar-se a l’atmosfera emeten radiació Txerenkov que acaba produint flaixos de llum visible. Aquests flaixos es poden detectar amb telescopis especialment dissenyats com MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov) o HESS (High-Energy Stereoscopic System).

Així doncs, l’astronomia del segle xxi gaudeix d’una capacitat d’exploració de l’univers sense precedents, on tota la radiació electromagnètica es pot usar per a estudiar el processos físics que passen a planetes, estels i galàxies de tota mena. Altres fronteres, com les ones gravitatòries o els neutrins, també formaran part d’aquestes eines en un futur i sens dubte obriran noves finestres d’observació a l’univers.

Xavier Barcons. Instituto de Física de Cantàbria (CSIC-UC).
© Mètode 64, Hivern 2009/10