ISO, observatorio espacial de rayos infrarrojos

Prácticamente todas las ramas de la física moderna necesitan instrumentos para poder medir. Ninguna ley es aceptada basándose exclusivamente en hipótesis, es precisa la comprobación experimental.En el caso de la astrofisica, los instrumentos utilizados hasta hace unos pocos años adolecían de tres limitaciones fundamentales: las mediciones se realizaban en un solo hemisferio celeste, por razones de localización geográfica en la Tierra; dichas mediciones dependían del ritmo diurno y nocturno, así como de las condiciones climatológicas, y aunque hubiera podido imaginarse un detector sensible a todas las radiaciones del espectro, la atmósfera filtraría amplias partes del mismo.

La energía emitida por las estrellas, galaxias, nebulosas, cuásares, etcétera, es recibida por nuestros instrumentos en forma de energía electromagnética. Según la moderna teoría cuántica, los fotones, portadores de esta energía, transportan una cantidad discreta de la misma que es proporcional a la frecuencia de la radiación electromagnética, siendo la constante de proporcionalidad h, o constante de Planck.

Toda la investigación astrofísica está basada en el estudio de estas radiaciones que llegan a la Tierra en todas las frecuencias del espectro. Sin embargo, la atmósfera es un filtro que no deja pasar a muchas de estas frecuencias; así, por ejemplo, en la banda de ondas milimétricas y del infrarrojo, el vapor de agua y el anhídrido carbónico no dejan pasar parte de dichas radiaciones. Hay unas cuantas ventanas relativamente estrechas y con grados de transparencia variables en las ondas más cortas del infrarrojo, pero en general la absorción atmosférica y la emisión térmica de la misma imponen unas limitaciones muy severas para las medidas astronómicas en el rango de los rayos infrarrojos.

Con instrumentos instalados en aviones o globos que vuelan a gran altura se mejoran sensiblemente las observaciones, pero aún las mediciones están afectadas por la débil atmósfera remanente, y no es posible sacar el máximo rendimiento de los detectores infrarrojos ultrasensibles de la nueva generación. Está claro, por tanto, que hay que instalar estos instrumentos en plataformas espaciales.

Técnicas para enfriar los instrumentos

Se dice que los años ochenta y noventa serán las décadas de la astronomía espacial infrarroja, pero, ¿por qué no fueron los años setenta, y sí lo fueron de la astronomía espacial ultravioleta, rayos X y rayos gamina? La razón de ello es una simple dificultad tecnológica: en cualquiera de los rangos del espectro antes mencionado, los detectores pueden estar a temperaturas parecidas a las del ambiente de la superficie de la Tierra, excepto en el rango de rayos infrarrojos, donde para conseguir sensibilidades similares a las conseguidas con los instrumentos ópticos o ultravioletas se requiere enfriar los instrumentos a temperaturas inferiores a 10º Kelvin (-263º centígrados); de esta forma se pueden detectar niveles cercanos a los límites de la radiación de fondo zodiacal, solar difusa y del polvo interestelar.El enfriar los instrumentos a temperaturas tan bajas requiere unas técnicas criogénicas muy sofisticadas, además de unos equipos voluminosos y pesados.

En los años ochenta se han dado los primeros pasos para resolver estos problemas técnicos, y así, en 1983 fue lanzado el IRAS (Infrared Astronomy Satellite), patrócinado por EE UU, Reino Unido y Holanda, cuya misión consistía en detectar el mayor número posible de fuentes celestes de rayos infrarrojos y analizar con más detalle las ya conocidas. La vida de dicho satélite estaba limitada por la pérdida del líquido criogénico, helio líquido, que podía durar unos ocho meses, pero, aun con esta corta vida, fue muy fructífero, y entre otros muchos descubrimientos, hizo uno muy espectacular que le permitió ser durante unos días la vedette en toda la Prensa mundial: el descubrimiento del primer sistema planetario distinto del nuestro en la estrella Vega..

Los proyectos actuales en este campo

Después de este éxito, las grandes instituciones espaciales se han lanzado a proyectar sus propios instrumentos: así, el segundo laboratorio espacial tendrá su pequeño telescopio enfriado por helio líquido para estudiar regiones galácticas; los alemanes occidentales están desarrollando su GIRL (German Infrared Laboratory), que realizará estudios fotométricos y espectrométricos en un laboratorio espacial, etcétera. De todos estos proyectos futuros cabe destacar el ISO (Infrared Space Observatory), que será un observatorio espacial desde donde los astrónomos interesados podrán hacer observaciones de una forma similar a como las hacen en la actualidad desde un observatorio terrestre en el rango del espectro visible, o desde el observatoro espacial IUE en el rango del espectro ultravioleta.El lanzamiento de este observatorio está previsto allá por el año 1992, mediante un cohete Ariane, y hasta entonces queda un largo camino por recorrer totalmente previsto por la Agencia Europea del Espacio (AEE), responsable del mismo. Está concebido como una plataforma espacial, con todos los servicios propios de este tipo de artefactos: estructuras soporte, sistema de energía, sistema de telemedida y telemando, sistema de control de órbita y asentamiento, y los dos sistemas más importantes y sofisticados de este proyecto, como son el instrumento científico y el control térmico.

El instrumento científico constará de un telescopio Cassegrain (Ritchey-Chrétien) de 60 centímetros de diámetro, con una focal F=15.; el campo de visión será de unos 40 minutos, con una calidad de imagen de cinco micrones en el límite de difracción; los espejos estarán enfriados a 10º Kelvin. Las partes fundamentales del sistema de control térmico del instrumento serán una pantalla reflectante para reflejar la mayor cantidad posible de energía del Sol, y un criostato.

De este equipo, el criostato es posiblemente el más crítico del proyecto. Él sólo pesará alrededor de una tonelada, de las casi dos toneladas que pesará todo el satélite (1.800 kilogramos), y tendrá dos compartimientos o botellas De ward, uno de 750 litros de hidrógeno líquido y otro de 750 litros de helio líquido superfluido, con los que se pretende conseguir una vida operacional de un año y medio por lo menos.

Las posibilidades de la astronomía infrarroja

¿Qué puede hacer la astronomía infrarroja que no pueda lograrse en los otros rangos? Mucho, y en casi todas las áreas; para el estudio de la composición química de los planetas asteroides y cometas es esencial, ya que estos cuerpos son relativamente fríos y radian la mayor parte de su energía en el infrarrojo; si existen moléculas orgánicas o prebióticas, tendrán que descubrirse en este rango. Para determinar la naturaleza y física de las estrellas frías es particularmente importante, ya que estas estrellas están oscurecidas por polvo.Durante mucho tiempo se han elaborado teorías sobre la formación de estrellas, pero se ha requerido la astronomía infrarroja y la radioastronomía para que estas teorías pudieran empezar a confrontarse con la realidad experimental y, como suele suceder en todos los campos experimentales, se han generado nuevas ideas que han dado lugar a la búsqueda de objetos fascinantes, tales como nubes moleculares, fuentes maser y nidos de estrellas en formación.

El polvo y materia interestalar requiere también de este campo de la astrofísica para poder determinar sus propiedades físicas y químicas. Pero donde quizá es absolutamente imprescindible la observación infrarroja es en la cosmología, por dos razones: Primero, porque los objetos luminosos más activos conocidos en el universo radian la mayor parte de su energía en este rango, y segundo, porque en cualquier objeto luminoso observado a distancias cósmicas, la frecuencia de su energía radiada tiene, por efecto Doppler, -un desplazamiento hacia el rojo e infrarrojo.

Podría muy bien ser que se descubrieran galaxias infrarrojas que sirvieran como candelas estándares para determinar distancias que nos permitieran ver si realmente el universo tiene la amplitud admitida actualmente, si hay evidencia de cambios evolutivos en el contenido galáctico en épocas cósmicas e intentar finalmente la búsqueda de protogalaxias, algo así como entrar en la máquina del tiempo para ver en el pasado la evolución de nuestro universo.Andrés Ripoll es director de la estación de seguimiento de satélites de la Agencia Espacial Europea situada en Villafranca del Castillo (Madrid).