EL SIGUIENTE PASO LÓGICO: ASTRONOMÍA DESDE LA LUNA

Jordi Bernabeu, José Manuel Carrasco, Eugènia Colell

Como ya se ha visto en un artículo anterior en la revista Tribuna de Astronomia y Universo, la Luna presenta ventajas para llevar a cabo diversos estudios científicos. Uno de estos campos es la Astronomía. Históricamente, la observación astronómica se ha llevado a cabo desde la Tierra. Pero debido a los problemas que la atmósfera ocasiona a nuestras observaciones, tan pronto como el hombre tuvo la tecnología necesaria para ello, abandonó la atmósfera y empezó a observar el universo desde satélites en órbita. El siguiente paso sería, ahora, ir a la Luna para hacer astronomía. Pero, ¿merece la pena realmente ir a la Luna a hacer astronomía? A continuación analizaremos las tres posibles plataformas astronómicas (Tierra, Satélite y Luna) e intentaremos defender por qué creemos que la Luna es el siguiente paso lógico.

Desde Tierra

Desde Satélite

Desde la Luna

Introducción

Los estudios astronómicos se basan en la detección y análisis de la radiación electromagnética proveniente del objeto a estudiar. A lo largo del camino que la trae hacia nosotros, la luz ha podido sufrir modificaciones respecto a cómo se originó. Estas modificaciones pueden servir para conocer el medio interestelar que interacciona con la radiación, para saber la velocidad relativa y distancia del objeto, etc. Sin embargo, algunos de estos cambios en la emisión original dificultan el estudio del objeto emisor. La mayoría de las modificaciones que sufre la luz son inevitables. Hay, en cambio, otras alteraciones que, además de ser evitables, no proporcionan ninguna información astronómica, como las introducidas por la atmósfera. Estas alteraciones se pueden minimizar e incluso eliminar si elegimos convenientemente el lugar de observación. Además, ciertas técnicas de detección para incrementar la resolución de los intrumentos son más fáciles de implementar en ciertas plataformas. Por todo ello, es de vital importancia para la calidad de nuestras observaciones elegir convenientemente la plataforma de observación. A continuación estudiaremos cómo afecta a las observaciones el hecho de hacer astronomía desde la Tierra o con telescopios orbitales y veremos cómo se modificarían estas características si pudiéramos observar desde la Luna.

Observando desde la Tierra

Hasta el siglo XX, la Tierra era el único lugar desde donde hacer astronomía. La accesibilidad a los instrumentos en la superficie terrestre facilita su utilización, reparación y mejora. Sin embargo, observar desde la Tierra causa grandes limitaciones en la calidad de nuestras observaciones. La atmósfera es la principal responsable de esta limitación, dado que provoca fenómenos como la absorción de la radiación, turbulencia y degradación de los instrumentos.

Como podemos ver en la fig. 1, debido a la absorción de los gases presentes en la atmósfera, a la superficie de la Tierra no llegan todas las longitudes de onda del espectro electromagnético. De hecho, sólo llegan a la superficie sin sufrir ningún tipo de absorción algunas porciones del rango Radio y, naturalmente, el Visible (por eso podemos ver las estrellas, galaxias y demás objetos celestes). Así, para observar en cualquier otro rango, debemos reducir el grosor de atmósfera que debe atravesar la luz, ya sea subiendo a las montañas, utilizando globos o abandonando definitivamente la atmósfera terrestre, evitando así en su totalidad el efecto de absorción.

Aparte de la absorción, la atmósfera provoca turbulencias térmicas y mecánicas que empeoran las observaciones (los objetos puntuales se ven como pequeñas manchas. Se debe al movimiento de la imagen del objeto celeste como consecuencia del paso de la luz a través de capas atmosféricas con diferentes propiedades térmicas y diferente índice de refracción. Así se origina una mancha en lugar de un punto, fenómeno conocido en astronomía como seeing). La resolución angular disminuye considerablemente debido a este efecto (fig. 2).

La óptica activa y adaptativa trata de compensar los efectos provocados por la atmósfera, ya sea cambiando la curvatura del espejo en tiempo real o mediante un tratamiento posterior de la imagen obtenida. Es fácil imaginar que estas dos técnicas son altamente complejas.

Por su parte, la interferometría se basa en superponer diversas imágenes de un mismo objeto tomadas desde diferentes observatorios (fig. 3). El resultado es una imagen con una calidad similar a la que se obtendría con un instrumento tan grande como la distancia que separa los observatorios usados. Sin embargo la turbulencia originada por la atmósfera introduce desfases aleatorios de las ondas electromagnéticas a estudiar que dificultan la implementación de las técnicas interferométricas. Además, la interferometría se encuentra con el problema que, para pequeñas longitudes de onda, es más difícil determinar la línea de base (la distancia entre los diversos puntos de observación) con la precisión requerida, que debe ser menor que la longitud de onda estudiada. Es necesario conocer la línea de base con precisión para poder hacer la correlación de imágenes entre los telescopios. Otro hecho que dificulta la interferometría (sobre todo la de larga línea de base) es la actividad sísmica terrestre. Los constantes movimientos de la corteza terrestre alteran permanentemente la distancia entre telescopios y, por tanto, la línea de base tiene que ser constantemente recalculada.

A estos efectos tenemos que añadir la intensa gravedad terrestre, que no nos permite hacer los telescopios tan grandes como desearíamos. El peso de un gran telescopio es enorme, lo que hace que la estructura se deforme.

Por último, en el rango Radio (que, como hemos visto, no es absorbido por la atmósfera) nos encontramos interferencias tanto naturales (ionosfera, rayos,...) como artificiales (comunicaciones de satélites, emisoras de radio,...). Otras interferencias las encontramos en el infrarrojo (IR) y en el milimétrico, debidas a la emisión térmica de la atmósfera y superficie terrestres.

Hemos visto, pues, que la Tierra nos da muchos problemas a la hora de hacer astronomía y que la mayoría de ellos se evitarían abandonando la atmósfera. Con la llegada de la era espacial esta posibilidad se pudo llevar a la práctica y en los últimos años se han lanzado diversos satélites de observación astronómica que nos han 'abierto los ojos' a un nuevo Universo.

Observando desde Satélite

Como hemos dicho, los telescopios a bordo de satélites permiten evitar todos los problemas relacionados con la atmósfera. Ha habido muchos satélites dedicados a las observaciones astronómicas en diferentes rangos electromagnéticos, accesibles todos ellos en ausencia de la atmósfera terrestre. La región más observada desde satélite es el rango de rayos X (los más recientes satélites que observan en este rango son el XMM-Newton y el Chandra), con más de 20 misiones lanzadas, activas o en proyecto. Los rangos gamma (CGRO, Integral, ...) y ultravioleta (IUE, ...) tienen unas 10 misiones, las mismas que las de IR (ISO, IRAS, ...). Es importante hacer notar que de estas 10 misiones en IR, 4 de ellas son proyectos actualmente en desarrollo iniciados principalmente debido al descubrimiento de planetas extrasolares (FIRST, SIRTF, IRIS y Darwin). Otras 10 misiones han sido, o serán, dedicadas a estudios en Radio y Microondas, centrándose en la interferometría en radio, observaciones convencionales en radio, radioastronomía y detección de la radiación de fondo de microondas. El rango menos estudiado desde satélite es el visible, que es de fácil acceso desde la superficie de la Tierra. Entre las misiones lanzadas y en proyecto, hay un total de 4 para el rango visible (incluyendo el Hubble). El Hubble es la prueba fehaciente de que las plataformas orbitales pueden alcanzar mejores resoluciones que los telescopios terrestres más grandes, ya que no se ven afectados por la turbulencia introducida por la atmósfera.

El movimiento permanente de los satélites permite hacer barridos del cielo de una forma más fácil. Pero este mismo movimiento perpetuo es el mayor de los problemas que tienen los observatorios en órbita, limitando el tiempo de observación. Si se desea una exposición larga de un objeto, cada cierto tiempo se debe tapar el instrumento o dirigirlo a otro punto del cielo, porque la Tierra se interpone. Otro ejemplo lo tenemos en el XMM. Este aparato, para evitar el escudo magnético natural de la Tierra y el ruido producido por los cinturones de Van Allen, debe adoptar una órbita extremadamente elíptica, haciendo sus observaciones cuando se encuentra fuera del cinturón y enviando los resultados cuando se encuentra dentro, cerca de la Tierra. Los satélites en este tipo de órbitas presentan un elevado número de problemas, sufriendo un alto ritmo de degradación. Esta degradación hace que la vida del satélite no sea muy larga.

Otro efecto que reduce la vida útil del satélite es la limitación en la cantidad de combustible de la nave. Este combustible es necesario para el guiado del instrumento. Además, si falla cualquier elemento de navegación del satélite (por ejemplo, los giroscopios, como hemos visto recientemente en el caso del CGRO y en el Hubble), la vida esperada del instrumento puede verse reducida a muy poco tiempo.

A cambio del acceso a todas las longitudes de onda y a la mejora en la calidad de las observaciones nos hemos visto, pues, obligados a reducir la vida de nuestros observatorios a, como mucho, unos cuantos años en vez de las decenas que dura un observatorio terrestre. Debemos añadir también que los instrumentos son menos accesibles si los ponemos en órbita y el mantenimiento y mejora del telescopio se hace más complicado.

Hemos visto hasta aquí toda la astronomía que hemos hecho hasta la fecha. Toca ahora determinar cómo podríamos obtener una mejora sustancial en las observaciones. Fijémonos por un momento en alguna otra plataforma observacional que tengamos cerca. Dirigimos la mirada a la Luna y nos aparece en mente la pregunta: ¿Cómo se verá el cielo desde la Luna?

Observando desde la Luna

En la Luna la presencia de atmósfera es mínima, y por lo tanto, allí tampoco tendríamos problemas relacionados con ella. Tendríamos acceso a todos los rangos electromagnéticos y la resolución se vería aumentada hasta el límite de difracción. En el infrarrojo cercano (en concreto en 2,2 mm), un telescopio de 5 metros podría teóricamente alcanzar una resolución espacial de 15 UA (1 UA=dist. Tierra-Sol) al observar a una distancia de 150 pársecs (distancia a la mayor región de formación estelar más cercana). Esta escala espacial es más pequeña que el sistema solar (unas 40 UA), haciendo en principio posible la visualización directa de discos circumestelares a partir de los cuales presuntamente se forman los planetas.

Pero, además de la ausencia de atmósfera, observar desde la Luna presenta otras ventajas:

Su baja gravedad comparada con la de la Tierra (la luna tiene 1/6 de la gravedad terrestre) permitiría construir estructuras más grandes que sufrirían menos deformaciones por el peso.

La Luna representa una plataforma mucho más estable que la Tierra debido a la ausencia de movimientos sísmicos importantes (sólo los impactos meteoríticos perturban la calma sísmica lunar). Esto permite, por lo tanto, hacer interferometría de muy larga base y en frecuencias cortas. Además, como no hay atmósfera, no se produce ningún desfase entre las señales recibidas en diferentes puntos. Por todo ello, en la Luna podríamos hacer interferometría en el infrarrojo e incluso en el óptico, provocando así una auténtica revolución en la astronomía (¡imaginemos cómo podría ser una imagen en el visible con un telescopio de una abertura de kilómetros, en lugar de uno de pocos metros!).

Debemos tener también en cuenta que la Luna tiene una rotación lenta, de 28 días. Esto produce aproximadamente 14 días de noche. Esta oscuridad permitiría observar objetos durante mucho tiempo seguido, pudiendo así observar objetos mucho más débiles (mediante largos tiempos de integración). A todo esto debemos añadir que el entorno lunar está libre de contaminaciones en el rango Radio. La cara oculta de la Luna es el lugar más limpio en Radio del sistema solar cercano. Incluso en la cara visible las interferencias radio se ven atenuadas, ya que llegan muy diluidas de la Tierra debido a la gran distancia que hay entre la Tierra y la Luna.

Pero la Luna, como las demás plataformas que hemos visto, también tiene sus propios problemas, que deberían ser estudiados a fondo para intentar minimizarlos.

El primer problema que podemos encontrarnos en la construcción de un observatorio lunar es el polvo. El regolito lunar se levanta con mucha facilidad (las causas pueden ser impactos micrometeoríticos, actividad humana durante la construcción, etc...). En cambio no se vuelve a depositar en el suelo con tanta facilidad, debido a la baja gravedad. Este polvo, ionizado por la radiación incidente, puede perturbar nuestras observaciones y, además, las partes mecánicas de nuestros instrumentos pueden verse seriamente afectadas. Deberíamos encontrar una manera de operar en la Luna levantando el menor polvo posible.

Otro efecto a tener en cuenta es el alto gradiente de temperatura debido al ciclo día/noche. Esta variación de temperatura depende de la latitud lunar, siendo máxima en el ecuador (unos 300 ºC). Estos gradientes de temperatura podrían afectar a los materiales de los instrumentos e infraestructuras lunares. Deberíamos, pues, escoger convenientemente los materiales utilizados para que pudieran soportar estos cambios tan grandes de temperatura.

Estos problemas deben, como ya hemos dicho, ser estudiados y no tienen por qué constituir ningún impedimento definitivo a la hora de la construcción de un observatorio en la Luna.

Conclusiones

En la tabla 1 se ofrece un resumen de las ventajas e inconvenientes de cada plataforma de observación.

En líneas generales podemos ver que la Luna posee las principales ventajas de las otras dos plataformas observacionales. Al no tener atmósfera, igual que ocurre en los satélites, podemos acceder a todos los rangos espectrales y además la calidad de las imágenes mejora debido a la ausencia de turbulencias. Por otro lado, al ser una plataforma estable (mucho más que la Tierra), se pueden instalar grandes observatorios, que además pueden ser explotados al límite usando técnicas interferométricas, más fáciles de implementar en la Luna que en la Tierra. La interferometría en el óptico sería una técnica que revolucionaría el mundo de la astronomía.

No menos importante sería el hecho de poder observar un mismo objeto en diferentes rangos simultáneamente. Hasta ahora las comparaciones multiespectrales se han hecho 'a posteriori', es decir, fotografiando un objeto primero en un rango, luego en otro y comparando. Pero hay fenómenos rápidos que no pueden ser 'cazados' de esta forma. Ejemplos de esto los tenemos, entre otros, en las Supernovas y en los GRB's (Gamma Ray Burst, súbitos estallidos de rayos gamma). Sería muy deseable tener un registro de estos últimos fenómenos en diferentes rangos espectrales durante los escasos 20 segundos que duran, lo que nos ayudaría a conocer el principio que los origina.

Llegados a este punto nos puede surgir la pregunta: ¿Y por qué la Luna precisamente? La respuesta es clara: la Luna está a la vuelta de la esquina en términos de distancia, por lo que es el lugar más inmediato que reúne suficientes ventajas. Evidentemente, algunos de los problemas que presenta la Luna se resolverían instalando nuestro observatorio en algún lugar más alejado del Sol. Plutón sería un buen lugar, ya que los problemas térmicos desaparecen y además la órbita de Plutón es diferente a la del resto de planetas, estando inclinada unos 17 grados respecto de la eclíptica. Así, las observaciones en el rango infrarrojo del espectro hechas desde Plutón serían mucho más sensibles que las que se pueden realizar desde el sistema solar interior. Desgraciadamente, si hoy en día no se aprecia la clara voluntad de regresar a la Luna ya no digamos de ir a Plutón.

Parece ser, pues, que efectivamente la Luna es el siguiente paso lógico en la evolución de la astronomía. La astronomía, así como la exploración del sistema solar, ha ido siempre muy ligada a avances tecnológicos muy diversos. Hay muchos campos de la ciencia que se verían beneficiados al poder emplazarlos en la Luna (ver nuestro artículo en TAU 15, Septiembre 2000), y si a todos éstos añadimos la Astronomía podríamos tener finalmente una buena razón para volver a la Lunar y empezar la colonización del espacio. Decidirnos a enviar satélites astronómicos también fue una arriesgada apuesta, pero los resultados han demostrado que, ciertamente, la superficie terrestre no es el mejor lugar para llevar a cabo la observación astronómica. La curiosidad humana acabará por posarse sobre la Luna, y allí estaremos para contemplar los fenómenos que nos ofrece nuestro maravilloso océano cósmico, sólo con acercarnos un poco más a la orilla.