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‘Hubble’: la última frontera de la ingeniería

27/03/2014

A 600 km de altura sobre la Tierra se halla uno de los proyectos más interesantes de las últimas dos décadas.El telescopio espacial Hubble, un aparato de alta precisión del tamaño de un autobús escolar y del peso de dos elefantes adultos, da una vuelta al planeta cada 97 minutos y ofrece las imágenes más útiles del cosmos.

 

El estudio que se considera a todas luces el origen del desarrollo de este gran telescopio orbital es el publicado nada más terminar la II Guerra Mundial por el astrónomo Lyman Spitzer, profesor en la Universidad de Yale, titulado Ventajas astronómicas de un observatorio extraterrestre.

En él, Spitzer explicaba que la atmósfera de la Tierra provoca un efecto borroso y distorsionado sobre la luz que proviene de las estrellas, y además bloquea los rayos X emitidos por fenómenos astronómicos a altas temperaturas, haciéndolos indetectables para los aparatos de observación situados sobre la superficie terrestre. Spitzer proponía que un telescopio colocado en la órbita del planeta no sufriría estas limitaciones y sería capaz de hacer observaciones que de otro modo resultarían imposibles

Hasta 1970 la NASA no aceptó la idea de desarrollar un gran telescopio orbital –o gran telescopio espacial, como también se lo ha denominado–; el llamado LTS (Large Space Telescope). Había ya tres precedentes de aparatos de observación en el espacio, ya que los británicos habían lanzado en 1962 un telescopio solar que orbitaba la Tierra, y en 1966 y 1968 la NASA lanzó dos Observatorios Astronómicos Orbitales.

Para el Hubble se crearon dos comités dedicados a estudiar el cómo y el para qué de semejante misión. La NASA también se dedicó a buscar fondos para llevar esta empresa a cabo, lo que supuso un gran esfuerzo, que terminó en algunos recortes del presupuesto inicial y la participación minoritaria de la Agencia Espacial Europea, tanto en fondos como en desarrollos, a cambio de tiempo de observación para los científicos europeos.

 

Caro y con retrasos

Sin duda los promotores del proyecto no podían imaginar el amargo camino que sería necesario recorrer hasta poner el Hubble en órbita. Perkin Elmer, la compañía designada para emprender la minuciosa tarea de construir el espejo principal del telescopio y ensamblar el sistema óptico, no sólo no cumplió los plazos, sino que también fue incrementando progresivamente los costes, y lo mismo ocurrió –aunque en menor medida– con Lockheed, la firma encargada de construir el vehículo espacial que alberga el telescopio.

La NASA tuvo que ir posponiendo el lanzamiento del Hubble de una primera fecha, establecida en 1983, hasta llegar a otra definitiva, en 1986, una vez que tuvo todas las piezas disponibles para su ensamblaje (diciembre de 1985). Pero pronto se descubrió que 1986 iba a ser también una fecha nefasta, porque la explosión en el despegue del transbordador espacial Challenger, en la que murieron siete astronautas, paralizó el programa espacial norteamericano y cuando éste se reactivó, la misión del telescopio se tuvo que retrasar hasta 1990.

El 24 de abril de ese año la nave Discovery colocó al Hubble en su órbita. Con siete años de retraso y 1.600 millones de dólares por encima del presupuesto inicial, los científicos tenían la herramienta de observación del espacio más avanzada y precisa de la Historia.O eso, al menos,creían ellos.

 

Un telescopio “miope”

Tal y como relata oficialmente la Agencia Espacial Europea, una pieza de alta ingeniería como es el Hubble presenta ciertos problemas que hay que ajustar.En el caso del telescopio espacial, la corrección se tuvo que hacer sobre la que probablemente es la parte más importante de todo el ingenio: el espejo principal.

Pocos días después de su puesta en marcha, los científicos detectaron con preocupación que las imágenes ofrecidas por el telescopio, aun superando a las proporcionadas por cualquier otro dispositivo terrestre de observación astronómica, no llegaban a las expectativas de lo que se esperaba.

La causa del fallo se encontró en una aberración en la óptica del espejo principal, cuya curvatura era cuatro micrones más plana de lo que debería haber sido. Cuatro micrones son el equivalente a una quinceava parte del grosor de un cabello humano, lo que da una idea de la precisión necesaria en un proyecto de esta naturaleza.

El fallo se originó en un mal funcionamiento del dispositivo de medida que la empresa Perkin Elmer utilizó para medir la curvatura del espejo al construirlo. El error fue subsanado tres años después,cuando el transbordador espacial Endeavour llevó hasta el Hubble un dispositivo de corrección denominado COSTAR, para lo que hubo que sacrificar uno de los aparatos de medición –ya que había que ganar espacio–, y se optó por que éste fuera el Fotómetro de Alta Velocidad.

El COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement o reemplazo axial de óptica correctiva del telescopio) ayudó a que los instrumentos que se instalaron en la primera misión en el Hubble pudieran aprovechar todo su potencial, mientras que otros dispositivos que fueron sustituyendo a aquéllos en misiones siguientes ya fueron concebidos para tener en cuenta la aberración óptica.

“Curar al Hubble” de su miopía requirió de cinco paseos fuera de la nave realizados por siete astronautas, en lo que supuso la mayor reparación efectuada hasta entonces en el espacio.

Precisión micrométrica

Este espejo, al que hubo que poner lo que bien parecen unas gafas espaciales, es el centro de la parte más importante del telescopio:el sistema óptico.Está fabricado en un cristal de baja expansión y mantenido a temperatura constante para que no se combe. Las superficies reflectantes están cubiertas con una capa de 0,076 micrones de aluminio puro y otra de 0,025 micrones de fluoruro de magnesio, lo que le confiere una buena capacidad de reflexión al espejo.

Su tamaño es similar al del más alto jugador de baloncesto –2,4 m– y su misión es capturar la luz que le llega de los cuerpos celestes y reflejarla en el espejo secundario. La luz que proviene del espejo primario es reflejada a su vez por el secundario, que la concentra y la canaliza, primero, a través de una abertura practicada en el primario y, segundo, por un bafle que impide que la luz rebote por todo el interior del telescopio.

Este haz que pasa por el bafle llega a lo que se denomina plano focal, que tiene el tamaño de un plato. Ahí es donde hay instalados aparatos científicos para captar y medir la luz. El conjunto forma, con la capa de aluminio que lo recubre, los dispositivos de apertura del sistema y la carcasa que sostiene todos los componentes, el llamado OTA (Optical Telescope Assembly).

Apuntar y enfoar el OTA proporciona imágenes del cosmos como ningún otro dispositivo es capaz de hacerlo (una vez corregidas con el COSTAR, situado tras el plano focal).Pero los científicos necesitan que el telescopio apunte bien y tome fotografías así como mediciones de la luz.

Para conseguir que el Hubble apunte correctamente se desarrolló el Pointing Control System (PCS). El PCS alinea el telescopio con una precisión tal que si se apuntase a un lugar a un kilómetro de distancia, acertaría con un margen de error inferior al grosor de un cabello. Además, el PCS puede mantener un mismo objetivo durante 24 horas, mientras el telescopio orbita la Tierra a 28.000 km/h.

Para conseguir esta precisión, cuenta con cuatro sistemas que indican al telescopio hacia dónde debe orientarse; le ayudan a afinar la puntería hacia el lugar concreto de observación; le proporcionan una referencia de en qué sitio se encuentra y cómo está orientado y, finalmente, le confieren movimiento.

La primera cuestión: cómo encuentra el Hubble el punto hacia el que debe encararse, se resuelve mediante el uso de los denominados Fixed Head Star Trackers,o buscadores de estrellas de cabeza fija. Se trata de un conjunto de telescopios pequeños con los que resulta más sencillo identificar el área en la que se encuentra el punto que se ha de observar.

Dispositivos sensibles

Una vez que se localiza esta zona, entran en acción los Fine Guidance Sensors. Son tres sensores de los que dos están bloqueados para que sigan a sendas estrellas que se establecen como guías. El tercero se dirige hacia el objeto de la observación. La sensibilidad de estos tres dispositivos es tal, que si se usaran para apuntar con un rayo láser situado en Madrid se podría acertar a una moneda dejada en Zaragoza.

Los sensores permiten además bloquear la vista del Hubble de tal manera que, aunque éste se mueva por su órbita, siempre enfoque al mismo lugar, y así los científicos tienen tiempo para tomar sus imágenes. En cuanto al movimiento del telescopio, éste primero debe conocer su posición actual.

Para ello emplea unos giroscopios que al rotar funcionan como si fueran brújulas espaciales: siempre apuntando en la misma dirección y detectando el movimiento del Hubble. Una vez que sabe su posición, el telescopio se mueve hacia su objetivo. Para ello no puede usar la propulsión por gases, como es habitual en las naves espaciales, ya que se podrían dañar los elementos ópticos.

La solución es que las indicaciones de movimiento se envían a un ordenador de vuelo que,a su vez,coordina cuatro ruedas llamadas “de reacción”. Cada una de ellas puede rotar con unavelocidad y dirección diferente, consiguiendo así que por el efecto físico que se produce el telescopio se mueva.

Capturar la imagen

La orientación hacia el objetivo sólo es una primera parte del proceso de observación. En términos fotográficos los procesos que se llevan a cabo para orientar el telescopio son el equivalente a apuntar con una cámara y enfocar bien el objeto que se inmortalizará. Pero una vez hecho eso, es hora de apretar el disparador y tomar las imágenes que los científicos estudiarán.

Ahí entran no una,sino hasta tres cámaras (compuesta cada una a su vez de otras varias) y un espectrógrafo que se encargan de hacer las fotografías que posteriormente se analizarán en la Tierra. Estos dispositivos no fueron instalados originalmente en el telescopio, sino que han ido reemplazando a aparatos más limitados o que han cumplido su misión a lo largo de los 16 años de funcionamiento del Hubble.

La más antigua de las cámaras instaladas es, a la vez, la más importante. La WFPC2 reemplazó a la WFPC1 original en la primera misión de mantenimiento en 1993. Sus siglas significan Cámara Planetaria y de Amplio Campo. Recibe ese nombre debido a que lo mismo puede captar imágenes muy amplias de una región o bien sólo planetarias, aunque de muy alta resolución. No se trata ni mucho menos de una cámara fotográfica al uso, ni por sus dimensiones –0,8 x 2,2 x 2,0 m y 281 kg de peso– ni por su funcionamiento.

 

Filtros para la luz

La WFPC2 captura un rango espectral que va desde más allá del ultravioleta a casi el infrarrojo y utiliza un disco con 48 filtros distintos.Estos filtros captan la luz de los cuerpos celestes en una determinada amplitud de onda, lo que implica también que, como el Hubble puede capturar la luz no visible por el ser humano, se pueden descubrir efectos y cuerpos que de otro modo sería imposible.

La WFPC2 es, con diferencia, la cámara (aunque en realidad son cuatro que toman fotografías que se complementan) que más se ha utilizado en el telescopio y la que ha mostrado las imá- genes más espectaculares. En la próxima misión de mantenimiento, que se llevará a cabo en 2008, la WFPC2 será reemplazada por su tercera generación, la WFPC3.

Un segundo dispositivo para tomar imágenes la NICMOS, cuyas siglas significan en español Cámara y Espectrómetro Multiobjeto de Infrarrojo Cercano, también se compone no de una, sino en realidad de tres cámaras, que están preparadas para captar las longitudes de onda del rango que da nombre al dispositivo.

Sus dimensiones son 2,2 x 0,89 x 0,89 m y su peso es de 370 kg. Esta cámara especial es un elemento sumamente importante como herramienta de investigación. Como la luz infrarroja atraviesa el gas y el polvo interestelar, los cuales bloquean la luz visible, la captación de los infrarrojos suponen una información de incalculable valor en el estudio de la formación de las galaxias y los sistemas, así como de la naturaleza del cosmos.

La NICMOS tiene un problema: para su correcto funcionamiento es necesario que su interior esté frío –para evitar luz no deseada que pueda aparecer en forma de calor–,por lo que se la dotó de un líquido refrigerante que se agotó en dos años (de 1997 a 1999). En la última misión de mantenimiento al telescopio, en 2002, se instaló un aparato refrigerante para apoyar el trabajo de este importante dispositivo, el NCC (NICMOS Cryocooler).

Mayor precisión

La tercera cámara es la más reciente de todas. Se implantó en la última misión que se ha efectuado hasta la fecha, en 2002, y vino a sustituir a la FOC, que estaba dedicada a captar imágenes muy específicas. La ACS (Advance Camera for Surveys o cámara avanzada para exploraciones) supuso un avance decisivo en la historia del telescopio.

Gracias a su capacidad para abarcar un mayor campo de visión,una calidad mejorada de imagen y una desarrollada sensibilidad, duplicó el campo de visión del Hubble e hizo al telescopio diez veces más efectivo. El sistema ACS está formado por una cámara de campo amplio, otra de alta resolución y una tercera que explora la región del espectro a la que no llega la luz solar.

La combinación de estos dispositivos,junto con los filtros, permite percibir, entre otras cosas,la distribución de la antimateria en el cosmos,ver las estrellas más lejanas,etc. La cámara de campo amplio se usa para estudios generales sobre el Universo y la distribución de las galaxias. La de alta resolución toma imágenes con un gran detalle sobre las regiones internas de las galaxias y la tercera cámara estudia estrellas calientes que emiten radiaciones en la amplitud de onda ultravioleta.

Huella espectrográfica

Además de estos dispositivos, el telescopio tiene una cuarta herramienta, aunque a diferencia de aquéllas, ésta realiza un análisis de las imágenes. Es el STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph o espectrógrafo de imágenes del telescopio espacial). Funciona como una especie de prisma que descompone la luz de los objetos captados, de tal manera que se crea una ficha individual de cada uno de ellos,con datos como por ejemplo, temperatura, composición química,densidad y movimiento.

Gracias a esta huella espectrográfica, los científicos pueden estudiar las variaciones que se producen en algunos cuerpos celestes. También se ha utilizado para encontrar agujeros negros: la luz de las estrellas y el gas que orbitan alrededor de una galaxia tienen variaciones hacia el azul y el rojo, por lo que si se detectan esas fluctuaciones en algunos cuerpos celestes se puede llegar a la conclusión de que están orbitando alrededor de otro cuerpo aunque éste no sea visible. Por desgracia, el STIS tuvo un importante fallo operativo y no funciona desde 2004.

Llamando a la tierra

Si bien los sistemas ópticos y los de captación de imagen son los principales en el telescopio, éste necesita de otros dos grupos de dispositivos para funcionar y cumplir la misión: los dedicados a transmitir los 120 GB de datos que cada semana recopila el telescopio y los que se utilizan para generar la energía necesaria de cara al funcionamiento de todos los instrumentos del Hubble.

En lo que se refiere a la transmisión de los datos, el telescopio cuenta con una antena de comunicaciones. El sistema empleado precisa de cinco satélites de comunicaciones distribuidos en distintas partes del cielo terrestre. Si el Hubble está en la línea de visión de uno de ellos, puede mandar y recibir información.Los científicos podrá, por ejemplo, enviar órdenes para afinar la exploración que se esté llevando a cabo en esos momentos.

El telescopio,a su vez,transmite los resultados de la observación si está en línea con uno de los satélites y en el caso de que no sea así,guar-da los datos y los transmite cuando se den las condiciones oportunas. En cuanto al sistema de generación de energía, ésta se crea gracias al uso de dos grandes paneles solares que se despliegan cuando el telescopio pasa por la zona de sol de su órbita (61 minutos de los 97 que tarda en dar una vuelta completa a la Tierra).

Además de usar la mayor parte de los 2.800 W que cada panel genera, el sistema almacena en baterías una parte de la energía generada para funcionar durante los 36 minutos en los que el telescopio se halla en zona de sombra. Con un tamaño de 36 m2, similar al de una valla publicitaria de carretera, y un grosor de 0,5 mm, cada panel está compuesto por diez más pequeños, que contienen 2.438 células solares fotovoltaicas.

Estas piezas van montadas sobre un marco, que a su vez está unido a un mástil. Cuando llega el momento, se despliegan y se tensan gracias a una barra que se extiende a cada lado de estas alas, las cuales, además, son capaces de rotar para encararse al sol en todo momento. Los que se usan actualmente fueron un reemplazo de los originales en la primera misión de mantenimiento.

Hasta 2013

Ese reemplazo de los paneles es uno de los muchos que se han ido haciendo al Hubble a lo largo de las tres misiones de mantenimiento que se le han enviado (una de ellas se dividió en dos,por lo que en realidad han sido cuatro). Una cuarta misión (la quinta, en la práctica) es absolutamente necesaria para poder prolongar la vida del telescopio hasta 2013.

Esa misión SM4, prevista inicialmente para 2004, pero que luego se retrasó a 2006 (debido al parón provocado por el accidente del Columbia),fue cancelada en 2004. Después de años de incertidumbre en los que la comunidad científica ha pedido activamente la prolongación de la vida del telescopio, la NASA decidió el pasado octubre que finalmente la SM4 sí se llevará a cabo.

En los 11 días que durará el viaje, previsto en principio para la primavera o el otoño de 2008, se procederá a instalar nuevas baterías y un más perfeccionado sensor de guía, se reemplazarán algunos giróscopos, se instalará una cámara más potente (WFPC3) y un espectrógrafo de cuarta generación.

Además se tiene la intención de reparar el espectrógrafo STIS que dejó de funcionar en 2004. A pesar de que se ha ampliado la vida del telescopio, más tarde o más temprano deberá ser sustituido por otro que ya se está desarrollando. Es el denominado James Webb Space Telescope (JWST), que estará listo en 2013.Será más avanzado que el Hubble y podrá encontrar las primeras galaxias que se formaron en el Universo, muy cerca del momento del Big Bang.

De momento, el Hubble seguirá acercando al ser humano,un poco más, a los misterios del Cosmos, aproximándolo a los orígenes de todo lo que se conoce y lo que aún está por descubrir en los próximos años.Una gran noticia.

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Cifras y datos de un telescopio

Nombre: proviene de Edwin P. Hubble (nacido en 1889 y fallecido en 1953), científico que confirmó que el Universo se expande, lo que supone la base para la teoría del Big Bang. Puesta en marcha: 25 de abril de 1990.

Misiones de mantenimiento (Service Missions): SM-1, diciembre de 1993; SM-2, febrero de 1997; SM-3A, diciembre de 1999 y SM-3B, febrero de 2002. La SM4 tendrá lugar en primavera u otoño de 2008.

Dimensiones: 13,2 m de largo, 4,2 m de diámetro y 11.110 kg de peso (en la Tierra). Coste del proyecto: 2.000 millones de dólares. Órbita: 600 km de altitud, con una inclinación de 28,5º con respecto al Ecuador. A una velocidad de 28.000 km/h, tarda 97 horas en dar una vuelta a la Tierra. Sensibilidad a la luz: 115-2.500 nm (radiaciones desde las ultravioletas a las infrarrojas). Datos transferidos: 120 GB cada semana. Fuente de energía: solar. La energía necesaria (la de 28 bombillas de 100 W por cada órbita) es captada gracias a dos paneles solares de 70 m2 equipados con 50.000 células fotoeléctricas.

 

CEREBRO Y ESQUELETO

Para operar todos los elementos ópticos, de imagen, de generación de energía y de comunicaciones del Hubble, es necesario contar con un cerebro. De hecho, el telescopio tiene dos: un par de ordenadores (de los muchos con los que cuenta el aparato para comandar todos sus dispositivos), uno de los cuales se encarga de hablar con los instrumentos, darles órdenes y enviar los datos a los sistemas de comunicación con la Tierra; y el otro que dirige los giróscopos, el dispositivo para apuntar, y diversos aparatos de uso general.

Por dentro

En cuanto al esqueleto del Hubble, el sistema óptico se sustenta en una estructura de 5,3 m de largo por 2,9 m de diámetro, fabricada en un tipo de grafito similar al que se usa en bicicletas y raquetas de tenis. Las ventajas de utilizar este material son su firmeza, bajo peso y resistencia a las contracciones y dilataciones provocadas por las temperaturas extremas.

Todo el cuerpo del telescopio está cubierto, además, por una carcasa de aluminio ligero, envuelto a su vez por un aislamiento multicapa que protege al Hubble de las fluctuaciones de unos 38 ºC que tiene que soportar en cada órbita a la Tierra.

 

TECNOLOGÍA ESPACIAL EN LA VIDA COTIDIANA

La revista SpinOff de la NASA ha explicado en varios de sus números las aplicaciones prácticas que se han derivado del Hubble. He aquí algunas de las más notables.

✑Los chips de procesamiento de imágenes, denominados CCD, se están utilizando para realizar mamografías digitales muy precisas, sin necesidad de intervención quirúrgica.

✑Los CCD junto a otros sistemas de mejora de imagen se han empleado también para descifrar porciones ilegibles de los Manuscritos del Mar Muerto.

✑En la actualidad se utiliza un fotómetro basado en CCD para estimar la degradación física de documentos históricos, escaneándolos periódicamente.

✑El InnerVue es un sistema que combina la tecnología de imagen digital con el uso de una aguja para diagnosticar localmente (sin tener que ir a un hospital) el estado de las uniones de algunas partes del cuerpo, como las rodillas o los hombros.

✑La tecnología desarrollada para el Hubble se ha empleado en un software de orientación de telescopios guiados por ordenador.

✑Una de las derivaciones de la tecnología utilizada por la NASA en el telescopio es un software de planificación que se emplea para optimizar la fabricación de semiconductores.

 

LAS ALERGIAS DEL TELESCOPIO

Todos los meses el Hubble regala algunas alegrías a los científicos. Sólo en la primera quincena del pasado mes de octubre, aparecieron cuatro noticias relacionadas con el telescopio: la captación de la imagen más nítida tomada hasta la fecha de la colisión de dos galaxias; la observación de la formación de una tercera; la confirmación del planeta extrasolar más cercano a nuestro propio sistema y el descubrimiento de otros 16 planetas extrasolares que orbitan diversas estrellas.

 

Observar 3.000 galaxias

A lo largo de su vida el telescopio ha ayudado a la consecución de otros muchos descubrimientos, algunos especialmente importantes. Así, el Hubble ha llegado a observar una región del espacio profundo formada por unas 3.000 galaxias, de las que algunas tienen una edad de 10.000 millones de años, lo que ha permitido efectuar estudios sobre la formación y evolución de las mismas.

Gracias a la observación de la explosión estelar más lejana identificada hasta la actualidad –una supernova que surgió hace 10.000 millones de años– los astrónomos llegaron a la conclusión de que la expansión del Universo ha empezado a acelerarse desde hace relativamente poco tiempo.

También, las observaciones sobre distintas galaxias permitieron que los científicos pudieran medir la llamada “constante de Hubble”, que ha sido esencial para determinar la edad del Universo, establecida en unos 12.000- 14.000 millones de años.

A mediados de los años noventa, el Hubble empezó a mostrar imágenes que confirmaban la existencia de los agujeros negros supermasivos y en la misma época el telescopio ayudó a concluir que los planetas se forman a partir de los discos de polvo que hay alrededor de estrellas jóvenes. En 2001 el telescopio se utilizó para detectar, por primera vez, la atmósfera de un planeta extrasolar, así como su composición química.