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 balsámico: un cráter polar en la luna.
Conocido por sus innovaciones en espejos telescópicos livianos y ópticas adaptativas, Angel ahora lidera un equipo de científicos de los EE. UU. Y Canadá que están explorando la viabilidad de construir un Observatorio Infrarrojo de Campo Profundo cerca de uno de los polos lunares usando un Telescopio de Espejo Líquido (LMT) )
Este concepto es una de las 12 propuestas que comenzaron a recibir fondos en octubre pasado 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 pasan por 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 originalmente propuso la teoría, pero la tecnología para crear un dispositivo de este tipo con éxito solo se ha desarrollado recientemente. Hoy en día, solo se utilizan unos pocos LMT, incluido un LMT de 6 metros en Vancouver, Canadá, y una versión de 3 metros que la NASA usa para su Observatorio de desechos orbitales en Nuevo México.
En la Tierra, los LMT tienen un tamaño limitado de aproximadamente 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 al tiempo que proporciona 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 para la propuesta 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, con 100 metros como la gran opción final. 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 presencia humana en la luna y configurarse como un telescopio robótico, al igual que los instrumentos científicos en los rovers de Marte 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 seguir objetos en el cielo. Solo mira el área del cielo que está directamente sobre la cabeza.
Entonces, el objetivo científico de un LMT es no 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 gran cantidad de información que se ha reunido. Algunos de los esfuerzos científicos más productivos del telescopio espacial Hubble han sido sus fotografías de "Campo profundo".
Para poder mirar solo un área del espacio en todo momento, Angel y su equipo buscan en uno de los polos lunares la mejor ubicación para este telescopio. Como en los polos de la Tierra, mirar hacia arriba desde los polos en 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 parche de cielo todo el tiempo, y eso nos 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 que no tendría comparación con ningún telescopio en la Tierra o en el espacio. "Ese es el nicho o la fuerza particular de este telescopio", dijo Angel.
Otro aspecto positivo 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 deben pulirse, probarse y luego unirse muy juntas. precisamente. Además, los LMT no necesitan monturas costosas, soportes, sistemas de seguimiento o un domo.
"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, seguiría siendo astronómicamente valioso. "Podríamos hacer cosas que son 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 largos períodos, como un año, se podrían ver objetos 100 veces más débiles. Un espejo de 100 metros proporcionaría datos que están fuera de los gráficos.
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 neumáticos se usan para LMT en la Tierra, pero sin aire en la luna, eso es imposible. Angel y su equipo están estudiando los 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 hacer eso 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 rodamientos un componente crítico del telescopio. "Sin aire en la luna para crear viento, no hay límite de tamaño ni de alcanzar la precisión que se requiere, siempre y cuando el rumbo esté bien", dijo Angel.
Una evolución del proyecto desde que recibió los fondos del NIAC 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 datos del orbitador lunar SMART-1 de la Agencia Espacial Europea que recientemente comenzó a inspeccionar las regiones polares de la luna.
"En las regiones polares hay algunos cráteres donde el sol nunca se 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 tiene que hacer es colocar una pantalla cilíndrica de Mylar alrededor del telescopio para evitar que el sol lo golpee y se enfríe 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. Sería ideal tener el telescopio cerca del cero absoluto (0 grados Kelvin, -273 C, -460 F). Dado que el mercurio se congelará a esas temperaturas, otro desafío para el proyecto es encontrar el líquido adecuado para girar hacia el espejo. Algunos de los candidatos son etano, metano y otros hidrocarburos pequeños, 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, por lo que hay 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 se refleja mucho y luego evaporas aluminio o plata sobre el vidrio. En la luna tendríamos que evaporar el metal sobre el líquido en lugar del 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, están alentados por los resultados hasta ahora.
El equipo de Angel es atípico para un proyecto NIAC, ya que es una colaboración internacional y NIAC no financia socios internacionales. "Sucede que los expertos mundiales en la fabricación de telescopios de espejo líquido giratorio están todos en Canadá, por lo que es esencial que si estamos pensando en hacer eso en la luna los traigamos", dijo Angel. "Afortunadamente, han entrado 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 Columbia Británica, 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, experto en rodamientos criogénicos, Warren Davison de la Universidad de Arizona, experto en ingeniería mecánica en telescopios, y el estudiante graduado Suresh Sivanandam.
NIAC fue creado en 1998 para solicitar conceptos revolucionarios de personas y organizaciones fuera de la agencia espacial que podrían avanzar en 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 demoren al menos una década en desarrollarse.
Angel dice que recibir el premio NIAC es una gran oportunidad. "Indudablemente escribiremos una propuesta para la Fase II (de los fondos del NIAC)", dijo. "Hemos identificado durante la Fase I cuáles son algunos de los problemas más críticos en este proyecto y qué pasos prácticos debemos tomar ahora. Hemos abierto algunas preguntas, y hay algunas pruebas simples que podemos hacer para ver si hay topes de espectáculo o no ".
El mayor obstáculo para hacer realidad el Observatorio Infrarrojo Lunar es, 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 ganas de hacer y harán en algún momento", dijo Angel. “Cuando eso sucede, es importante tener cosas interesantes que hacer una vez que llegamos 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 hacer investigación científica más allá de la luna. Creo que es algo que en el panorama general debería suceder ".
Nancy Atkinson es escritora independiente y embajadora del sistema solar de la NASA. Ella vive en Illinois.
