Físico e Ingeniero Aeroespacial en NASA • Johnson Space Center
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Observatorio ALMA, ojos del Universo a 5.000 metros de altitud

He tenido la oportunidad recientemente de visitar el Observatorio ALMA, en Chile, un impresionante conjunto de 66 antenas situadas en el llano de Chajnantor, próximo al salar de Atacama, cuyo objetivo es la observación de la radiación que emiten los cuerpos que se encuentran entre los más fríos en el Universo.

El Observatorio ALMA es una instalación científica de primer orden a nivel mundial y su visita resulta francamente impactante debido a su emplazamiento, remoto y de elevada altitud, y también por toda la tecnología que encierra.

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ALMA son las siglas de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, o Gran Conjunto Milimétrico/submilimétrico de Atacama, un nombre que, además de indicarnos el enclave del observatorio, nos informa de las longitudes de onda que observa y de cómo realiza esa observación.

¿Qué quiere decir que ALMA observa en longitudes de onda milimétricas y submilimétricas? Los cuerpos presentes en el Universo emiten radiación electromagnética con diferentes niveles de energía o, equivalentemente, de frecuencia, que clasificamos dentro de lo que llamamos el espectro electromagnético. Dado que toda radiación electromagnética se propaga en el vacío a la misma velocidad, a unos 300.000 km/s (a la que llamamos velocidad de la luz), clasificar a la radiación electromagnética en función de su frecuencia es similar a hacerlo en función de su longitud de onda; esto es, en función de la distancia que cubre esa radiación durante una oscilación completa.

De esta forma, podemos decir que el espectro electromagnético abarca desde longitudes de onda muy largas, del orden de kilómetros o mayores, las cuales se corresponden con las ondas de radio de muy baja frecuencia, hasta longitudes muy cortas, del orden de billonésimas de metro, que se corresponden con la radiación gamma; estando entre medias, de mayor a menor longitud de onda, el rango de las microondas, el del infrarrojo, el rango visible, el ultravioleta, o el de los rayos X.

Solamente la radiación electromagnética que es emitida con longitudes de onda muy próximas a la mitad de una millonésima de metro es detectada por nuestros ojos. Es por esta razón que denominamos a este rango como el rango visible del espectro, y es a la radiación electromagnética en este rango a la que comúnmente llamamos ‘luz’. De hecho, los colores que apreciamos son el resultado del procesado que hace nuestro sistema de visión de las diferentes longitudes de onda dentro de ese rango visible del espectro. Pero, como se ha dicho, no todo a nuestro alrededor emite en el rango visible.

Hay una gran variedad de fenómenos y de cuerpos que emiten radiación en uno o muchos rangos electromagnéticos que solo podemos detectar gracias al empleo de los dispositivos adecuados. Así, por ejemplo, nuestros cuerpos también emiten radiación infrarroja, razón por la que debemos utilizar visores especiales para dar cuenta de nuestra presencia en la oscuridad. En el terreno astronómico, el Sol, por ejemplo, no solo emite radiación que es visible a nuestros ojos, sino que también lo hace en el rango infrarrojo, en el ultravioleta, en el rango de los rayos X durante fulguraciones solares, etc.

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La Nebulosa Cabeza de Caballo observada en diferentes longitudes de onda. De izda. a dcha.: luz visible, infrarrojo, y las dos últimas imágenes en dos longitudes de onda submilimétricas distintas. Fuente: ESO/ESA/CSO.

En este sentido, el Observatorio ALMA está diseñado para detectar la radiación que emiten las frías nubes de gas y polvo en el Universo, las cuales lo hacen en longitudes de onda del orden del milímetro y ligeramente por debajo (ondas milimétricas y submilimétricas). Estas ondas se sitúan en el espectro electromagnético entre los rangos del infrarrojo y el de las microondas, y son relevantes para el estudio del Universo ya que es en estas vastas regiones con presencia de gas y polvo donde nacen galaxias, estrellas y sistemas planetarios.

El Observatorio ALMA es denominado como un Gran Conjunto (Large Array) por estar compuesto por 66 antenas que se comportan realmente como un único telescopio. Esto es debido a que ALMA opera bajo los principios de la interferometría, una técnica mediante la que se pueden combinar las señales que reciben varias antenas para conseguir una resolución mucho mayor a la que se obtendría con cada una de ellas individualmente.

La resolución de un telescopio viene dada por la longitud de onda con la que opera y por el diámetro de su espejo o de su reflector, de forma que la resolución obtenida es mejor cuanto menor es la longitud de onda a observar y cuanto mayor es el diámetro del espejo o del reflector. Esto implica que, en el caso del rango de las ondas milimétricas y submilimétricas, si deseáramos conseguir con una única antena la misma resolución que posee el Telescopio Espacial Hubble en el rango de longitudes de onda en el que opera, el plato reflector de nuestra antena habría de ser de 5 kilómetros de diámetro, algo prácticamente inviable a día de hoy.

Las antenas de gran precisión presentes en el Observatorio ALMA poseen mayoritariamente diámetros de 12 metros, habiendo un menor número de ellas con diámetros de 7 metros. Sin embargo, por estar dispuestas en la manera en la que lo están, gracias a la interferometría, las imágenes conseguidas poseen una resolución similar a la que se obtendría con una única antena de 14 kilómetros de diámetro, lo que equivale a una resolución unas 10 veces mayor que la del Telescopio Hubble. Por otra parte, las antenas pueden ser ubicadas en diferentes distribuciones de forma que las observaciones se puedan ajustar óptimamente a las escalas de los objetos y regiones a estudiar en el espacio. Todo esto hace de ALMA el observatorio más potente que existe para observar emisiones en el rango milimétrico y submilimétrico.

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Sin embargo, todas estas capacidades implican requisitos de diseño que son francamente impresionantes. Por mencionar unos pocos, el disponer de un conjunto de antenas que funcione como una única antena implica la necesidad de que todas ellas estén sincronizadas con una precisión del orden de la billonésima de segundo, también siendo requerido que la distancia recorrida por las señales desde cada antena hasta los equipos electrónicos donde estas se combinan deba ser conocida con un error de centésimas de milímetro. Las antenas son, por otra parte, auténticas maravillas de la ingeniería: deben poder ser apuntadas con enorme precisión, del orden de la diezmilésima de grado, y las superficies de sus platos reflectores deben tener la forma de una parábola ideal con desviaciones que no pueden superar las 25 milésimas de milímetro.

El conjunto de antenas del Observatorio ALMA se encuentra en el llano Chajnantor, a una altitud de 5.000 metros. Este llano está situado a unos 40 km al este de la ciudad de San Pedro de Atacama, al norte de Chile, y en él las condiciones atmosféricas son excelentes en términos de transparencia y estabilidad para el rango de longitudes de onda en las que opera el observatorio.

Aunque cualquier tipo de molécula presente en la atmósfera supone un problema para la recepción de señales, el principal problema atmosférico para un observatorio que opera en el rango de las ondas milimétricas y submilimétricas viene dado por el contenido en el aire de vapor de agua, cuya presencia atenúa las señales procedentes del espacio en este rango. La baja humedad y la altitud, además de la estabilidad atmosférica, son, por tanto, características altamente deseables en el enclave de un observatorio como ALMA, y el llano Chajnantor al norte de Chile, a 5.000 metros y siendo uno de los lugares más secos del mundo, resulta ser un lugar idóneo en este sentido.

A pesar de esto, debido a la gran resolución y sensibilidad que se precisan en las observaciones, las condiciones atmosféricas locales deben ser conocidas con gran fidelidad ya que incluso bolsas aisladas con diferentes contenidos, si bien muy bajos, en vapor de agua distribuidas aleatoriamente en la línea de visión de las antenas pueden resultar en errores de fase en las señales que afectan a su calidad. Es por esta razón que el observatorio cuenta también con estaciones meteorológicas con radiómetros de vapor de agua que miden el contenido de este gas en la línea de visión de las antenas y cuya información es usada para corregir sus efectos en las mediciones.

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Observaciones de la nube oscura SDC 335.579-0.292 llevadas a cabo con ALMA han proporcionado la mejor visión conseguida hasta ahora de una gigantesca estrella en proceso de formación. Crédito: ALMA (ESO/NRAJ/NRAO)/NASA/Spitzer/JPL-Caltech/GLIMPSE.

El Observatorio ALMA tiene dos ubicaciones en Atacama, uno es el Centro de Operaciones (OSF por sus siglas en inglés), donde se encuentra la sala de control del observatorio, el personal científico que visita y trabaja en el lugar, además de contratistas que realizan diversos tipos de actividades, y la otra ubicación es el Sitio de Operaciones del Conjunto de Antenas (AOS en sus siglas en inglés), localizado en el llano Chajnantor. Situada a 28 km del OSF, en el AOS se procesan las señales antes de ser enviadas al OSF y es el lugar donde acceden los operarios y técnicos que realizan los trabajos de mantenimiento o de ubicación de las antenas.

yoSi bien la altitud a la que se encuentra el OSF es de 2.900 m, 500 m por encima de aquella a la que se encuentra la ciudad de San Pedro de Atacama, la altitud en el AOS es de 5.000 m. La cantidad de oxígeno en el aire a esta altitud es prácticamente la mitad de la disponible al nivel del mar, lo que hace que la presencia humana en este centro se restrinja a la mínima posible en todo momento. De hecho, algo que resulta interesante es la necesidad de superar un pequeño chequeo médico en el OSF para poder acceder al AOS, un lugar en el que no es extraño encontrarte con personal utilizando máscara de oxígeno.

El Observatorio ALMA es, ciertamente, una maravilla tecnológica y científica. Fue inaugurado hace muy poco, en el año 2013, con lo que tiene muchos años por delante para seguir aportando valiosa información que nos ayudará a entender mejor el entorno cósmico en el que nos encontramos. Para mí fue un auténtico honor haber tenido la posibilidad de visitar este magnífico centro, y no quisiera poner fin a este escrito sin agradecer a Rafael Bachiller, Director del Observatorio Astronómico Nacional y autor de la sección Crónicas del Cosmos en El Mundo, y a Valeria Foncea, Oficial de Relaciones Públicas y Educación de ALMA, por haber posibilitado mi visita. Por otra parte, también quiero mostrar mi agradecimiento a Andrés Pérez, Jefe de Exploraciones del Hotel Explora Atacama, por aportar el transporte hasta el observatorio; y, por último, también quiero expresar mi agradecimiento y reconocimiento a Danilo Vidal, Coordinador de Visitas en ALMA, un guía excepcional cuyas explicaciones hicieron de esta visita una experiencia aún más interesante.

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