El interferómetro SKA se construirá entre Sudáfrica y Australia

Representación artística del SKA
Representación artística del SKA
Grupo de galaxias de M 81 y M 82, en la Osa Mayor. (Izquierda) Imagen óptica de las galaxias. (Derecha)
Grupo de galaxias de M 81 y M 82, en la Osa Mayor. (Izquierda) Imagen óptica de las galaxias. (Derecha)

Una característica de las galaxias que los astrofísicos actuales queremos conocer es cuánto gas existe en ellas, cómo ese gas se transforma poco a poco en estrellas y planetas y cómo la cantidad de gas en las galaxias evoluciona con el tiempo cósmico. En efecto, el gas atómico, básicamente hidrógeno creado en la Gran Explosión, es uno de los componentes básicos de las galaxias.

Para conocer cuánto gas dispone una galaxia debemos necesariamente obtener observaciones en frecuencias de radio, en concreto en la línea de 21 cm (1420 MHz) del hidrógeno atómico. Aunque ya predicha por la Física Atómica, la emisión del hidrógeno atómico a 21 cm se detectó por primera vez en los años 50 del siglo pasado dentro de las regiones de formación estelar en nuestra Vía Láctea.

En la actualidad, centenares de galaxias se han cartografiado en hidrógeno neutro usando radio-interferómetros como el Very Large Telescope (VLA, Nuevo México, EE.UU.) o el Australian Telescope Compact Array (ATCA, Narrabri, NSW, Australia).

Los astrofísicos necesitamos los interferómetros (conjuntos de varios radiotelescopios) para poder conseguir a la vez la información espacial (que nos muestra la distribución de gas en una galaxia) y espectral (que nos informa sobre cómo se mueve el gas y a qué distancia se encuentra el objeto).

Gracias a los mapas interferométricos en radio hemos comprobado que existe “algo” más en las galaxias además de la luz que vemos (gas+estrellas+polvo) y que denominamos “materia oscura”: sin esa componente extra, no podemos explicar (en órdenes de magnitud en muchos casos) la dinámica de las galaxias, esto es, cómo se mueve el gas. Además, la componente gaseosa de las galaxias suele ser mucho más extensa que la componente estelar, por lo que en muchas ocasiones se usa también para trazar las interacciones de galaxias. El ejemplo más claro es la enorme nube de gas que contiene el grupo de galaxias de M 81 y M 82, y que está completamente destrozada por las intensas fuerzas gravitatorias de existen entre sus distintos miembros.

Sin embargo, los interferómetros actuales tienen un límite bastante importante: dada su limitada superficie colectora (el área total de todos los radiotelescopios empleados) y la corta distancia entre sus antenas (pocos kilómetros en la mayoría de los casos) los estudios del gas atómico en galaxias siempre han estado limitados al Universo local, digamos no más allá de unos 300 – 500 millones de años luz, y en su gran mayoría a distancias de lo que se conoce como el Volumen Local, una esfera de unos 40-50 millones de años luz de radio, pero que está habitada por cientos de galaxias.

Para poder obtener información en frecuencias de radio de galaxias más lejanas se necesitan interferómetros con una gran cantidad de antenas separadas por cientos o incluso miles de kilómetros. Como apuntamos, sin esta información nos podemos una parte fundamental de las galaxias: cuánto gas hay disponible para crear nuevas estrellas y cómo se conecta todo (gas y estrellas) dentro de los modelos cosmológicos de evolución del Universo.

Así, desde principios de la década de los 90 del siglo pasado, astrofísicos de todo el mundo tienen la idea de construir un gran interferómetro de radio, constituyendo literalmente el “mayor telescopio del mundo”. Este proyecto recibió el nombre de Square Kilometer Array (SKA) porque el área combinada de todos sus radiotelescopios debía tener un kilómetro cuadrado de superficie, proporcionando unas 50 veces más sensibilidad y unas 10 000 veces más velocidad que los mejores interferómetros actuales. Por supuesto, la construcción de tan titánico complejo telescópico necesitaba el auspicio y colaboración internacional.

Así se hizo desde casi el principio, constituyéndose en 2011 la Organización SKA que engloba a los países de Australia, Canadá, China, Italia, Nueva Zelanda, República de Sudáfrica, Países Bajos, Reino Unido e India, aunque en ella participan astrofísicos e ingenieros de muchas más nacionalidades, española entre ellas. El coste estimado de SKA es de 1500 millones de euros, con la idea de que la fase primera comience a construirse en 2016.

En realidad, SKA no pretende sólo investigar el origen del gas en las galaxias: éste es sólo uno de los 5 pilares científicos básicos que tocará esta nueva instalación de radiotelescopios. Usando tal interferómetro, pero observando a otras frecuencias (entre 70 MHz y 10 GHz, recordemos la línea del hidrógeno neutro a 21 cm tiene una frecuencia de 1.42 GHz, estando por lo tanto en el rango de altas frecuencias a observar con SKA), se investigará el origen y evolución del magnetismo en el Universo, se buscarán planetas potencialmente benignos para la vida, se obtendrán datos para demostrar la existencia de campos gravitatorios intensos y ondas gravitatorias alrededor de púlsares y agujeros negros, y finalmente se investigarán las “Edades oscuras del Universo”, pocos cientos de años tras el Big Bang, cuando se encendieron las primeras estrellas, además de trazar la cantidad de energía oscura con el paso del tiempo cósmico.

Entre los muchos retos tecnológicos a los que un inteferómetro como SKA se enfrenta es que las antenas para observar a altas (10 GHz) y bajas (70 MHz) frecuencias tienen que ser muy distintas. Así, los ingenieros ya establecieron que debían construirse 3 tipos de antenas: radiotelescopios “clásicos” y colecciones de antenas para media y baja frecuencias. Estas especificaciones están también acelerando la tecnología de antenas y de transmisión de datos, que indudablemente encontrará salida en el mundo de las telecomunicaciones o en otras aplicaciones en las que ahora ni pensamos.

Existen ejemplos muy prácticos de las aplicaciones industriales de la investigación radioastronómica: fueron los ingenieros de CSIRO (Australia) quienes inventaron la WLAN (parte fundamental del sistema de transmisión de datos sin cables WiFi que ahora mismo todos usamos en ordenadores y móviles) mientras trabajaban en la tecnología de las antenas de ATCA.

Por otro lado, para poder conseguir a la vez imágenes de alta sensibilidad y de alta resolución, las antenas de SKA se repartirán a lo largo de 5 brazos espirales unidos en un núcleo con una mayor cantidad de radiotelescopios. Las antenas colocadas en las partes más externas de los brazos espirales deben alcanzar distancias de unos 3000 kilómetros desde el núcleo principal.

Antenas instaladas del interferómetro MeerKAT en Sudáfrica. | Crédito de la imagen: Dr Nadeem Oozeer
Antenas instaladas del interferómetro MeerKAT en Sudáfrica. | Crédito de la imagen: Dr Nadeem Oozeer

¿Dónde colocar tan complejo, sofisticado y sensible radiointerferómetro? Ésta ha sido siempre la duda principal del proyecto dado que no se podía construir en ninguna zona con gran cantidad de población: las interferencias en radio provocadas por las actividad humana (radio, televisión, ordenadores, wifi, comunicación por satélite, móviles…) darían al traste el intento de captar la debilísimas señales del espacio. Quedaban así descartadas casi todas las tierras del hemisferio norte terrestre.

Desde hace alrededor de una década, dos grandes lugares se barajaban para la instalación del SKA: Sudáfrica y Australia. En los últimos años, ambos países se han mostrado igualmente interesados en llevarse el SKA dentro de sus fronteras, promoviendo a todos niveles (desde los mismos Ministros de Ciencia hasta los jóvenes astrofísicos) la elección de su candidatura, invirtiendo en desarrollo tecnológico, almacenamiento y tratamiento de grandes cantidades de datos (SKA rellenaría 15 millones de iPod de 64 Gb al día) y científico, e iniciando importantes instalaciones telescópicas que, por sí mismas, van a revolucionar la Astronomía en los próximos años.

Australia, por un lado, comparte con Nueva Zelanda una fuerte candidatura para SKA. Liderado por CSIRO Astronomy and Space Science (CASS) y con fuerte implicación de la Universidad de Australia Occidental (UWA) y del International Center for Radioastronomy Reseach (ICRAR), con colaboraciones de la mayoría de las universidades e institutos astrofísicos de ambos países, los astrofísicos australianos están construyendo en el Radio-Observatorio de Murchinson (MRO, Australia Occidental) el potente interferómetro ASKAP (Australian SKA Pathfinder) (aquí un artículo en español), que, con 36 radiotelescopios, dispone de una tecnología pionera que permite un campo de visión tan ancho que se podrá cartografiar todo el cielo en radio en un sólo día.

Por otro lado, los astrónomos sudafricanos, también apostando muy fuerte por SKA en un país con escasa tradición en radioastronomía, están creando en el desierto de Karoo el interferómetro MeerKAT (Karoo Array Telescope), un conjunto de 64 radiotelescopios que profundizará aún más que ASKAP en zonas concretas del espacio (más antenas y con separaciones entre radiotelescopios mayores que con ASKAP). Ambos lugares han estado siendo evaluados por un equipo internacional e independiente de astrofísicos e ingenieros, que debían de dar una respuesta sobre la elección de la sede final del SKA a principios de 2012.

Vista de 4 de las antenas del interferómetro ASKAP ya instaladas en el Radio-Observatorio de Murchinson (MRO, Australia Occidental). | Crédito: CSIRO
Vista de 4 de las antenas del interferómetro ASKAP ya instaladas en el Radio-Observatorio de Murchinson (MRO, Australia Occidental). | Crédito: CSIRO

Tras varios meses de incertidumbre, finalmente el viernes pasado, 25 de mayo de 2012, se comunicaba oficialmente que SKA va a construirse EN LOS DOS LUGARES: los conjuntos de antenas de baja frecuencia se construirán en Australia y Nueva Zelanda, mientras que los radiotelescopios para observar a alta frecuencia (los radiotelescopios tradicionales con los que se observará la línea de 21 cm de HI) y los conjuntos de antenas de frecuencia intermedia se construirán en Sudáfrica.

Los radiotelescopios de alta frecuencia se construirán primero, combinando los ya existentes de MeerKAT y ASKAP. Esta elección ha agradado enormemente a la comunidad astronómica internacional puesto que todos los países involucrados van a salir ganando. La elección del lugar compartido también hace que, a partir de ahora, australianos y sudafricanos trabajen conjuntamente en conseguir el éxito del SKA. Es cierto que la elección de Sudáfrica como sede central del núcleo de radiotelescopios de altas frecuencias parece ir en detrimento de Australia, pero los cientos de radiotelescopios que se van a construir en Sudáfrica llevarán muy posiblemente la tecnología que ahora mismo se está implementando en las antenas del interferómetro australiano ASKAP por los ingenieros de CSIRO. En efecto, la elección del sitio compartido beneficia a todos los países involucrados, promoverá el trabajo internacional, y hará más fácil que SKA cumpla con sus objetivos científicos y tecnológicos.

Para concluir, me gustaría insistir de nuevo en el gran soporte político que, desde ambos países, se ha tenido desde sus inicios al proyecto del interferómetro SKA. Al trabajar en Australia conozco más de cerca este caso, por lo que sé que el propio Ministro de Ciencia Australiano ha participado en múltiples ocasiones (especialmente en los últimos años) en congresos y reuniones para promocionar y colocar a Australia en el mejor sitio de salida para el SKA, además de inyectar una gran cantidad de dinero en la investigación científica (por ejemplo, los contratos postdoctorales Super-Scientists, que colocaron 33 jóvenes astrofísicos en menos de dos años dentro de Australia) y tecnológica (el Gobierno Australiano hace negocio con las patentes que consigue a raíz del instrumental que demandan los científicos, el ejemplo más evidente es la patente por el sistema WLAN).

De igual forma, Sudáfrica ha invertido considerablemente en Astrofísica en la última década, acretando un respetable comunidad de astrofísicos de renombre internacional y creando casi de la nada un proyecto ambicioso como MeerKAT en un país con apenas tradición en radioastronomía, y ahora comienza a ver la recompensa de sus esfuerzos.

No sabemos aún qué descubrimientos nos esperan con el SKA, cuánto gas atómico encontraremos en las primitivas galaxias o si veremos sutiles filamentos de hidrógeno conectando las galaxias más cercanas entre sí y con otras más lejanas, tal y como predicen los modelos cosmológicos, pero es seguro que la propia tecnología que se está desarrollando ahora para SKA traiga nuevos inventos y aplicaciones prácticas que incrementarán notablemente el bienestar social, cultural y económico de las sociedades de estos países que, en lugar de recortar en investigación, están invirtiendo fuertemente en Ciencia y Tecnología.

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