miércoles, 22 de septiembre de 2010

EL DEFECTO DEL HUBBLE: CUANDO EL OJO QUE MÁS LEJOS HA VISTO NECESITA GAFAS

Esta entrada surgió cuando estaba escribiendo el post de “historia de la óptica” y se me ocurrió la siguiente pregunta: ¿Cuáles han sido las gafas más grandes jamás construidas por el hombre? Pues cuando di con la respuesta no os creáis que me encontré con una montura enorme y unas lentes montadas (tipo pepe gáfez). Nada más lejos de la realidad. Lo que encontré es que “el ojo” tras el cual la humanidad ha llegado a mirar más lejos de lo que nunca se imaginó ha necesitado durante mucho tiempo llevar puestas unas “gafas” que corrijan su “defecto visual”. Me refiero al telescopio espacial Hubble y su reemplazo axial de óptica correctiva para telescopio espacial, COSTAR en sus siglas en inglés.

El telescopio espacial Hubble


  • Lyman Spitzer, el “padre de la criatura”.




Aunque ya en 1923 se propuso el lanzamiento de un telescopio al espacio, no fue hasta 1946 que el astrofísico Dr. Lyman Spitzer madurara la idea explicando que la mejor idea para poder explorar el universo era fabricar telescopios en órbita alrededor de la tierra (consiguiendo de esta manera evitar la polución lumínica y distorsión provocada por la atmósfera terrestre). Spitzter lideró la campaña durante los años 60 y 70, hasta que en 1975, la Agencia Espacial Europea (ESA) y la NASA comenzó a redactar los planes iniciales para ello, y en 1977, el Congreso aprobó los fondos necesarios. El famoso telescopio lleva el nombre del astrónomo estadounidense Edwin Hubble, cuyas observaciones de estrellas variables en las galaxias distantes confirmaron que el universo se estaba expandiendo y dio apoyo a la teoría del Big Bang (se hablará de esta historia en otra ocasión).


  • Consideraciones ópticas del telescopio.


Ópticamente, el Hubble es un reflector de diseño Ritchey-Chrétien, variante perfeccionada del diseño Cassegrain, al igual que la mayoría de los grandes telescopios profesionales.
Esquema de un telescopio Ritchey-Chrètien

Este diseño, con dos espejos hiperbólicos, se caracteriza por un rendimiento de imagen buena en un amplio campo de visión, con el inconveniente de que los espejos tienen formas que son difíciles de fabricar y probar (punto que luego pasaría factura). El espejo primario mide 94,5 pulgadas (2,4 m) y el secundario de 12 pulgadas (30 cm). Su longitud focal es de 189 pies (casi 58 m), su relación focal es f/24. El Hubble contiene más de 400.000 partes y cerca de 42.000 Kilómetros de conexiones eléctricas. El cuerpo del telescopio tiene 13,3m de largo, 4,3 m de diámetro, y pesa 11.110 Kgr.



Gracias a la localización del telescopio en órbita alrededor de la atmósfera terrestre (la órbita baja de aprox. 610 Km, con una inclinación de 28,5 grados y un período de 96 minutos) y sus sotisficados aparatos, se consigue una resolución espectacular. Si sabemos que el ojo tiene una resolución de 1 minuto de arco, y los telescopios terrestres rara vez proveen resolución mejor que 1 segundo de arco, la resolución del Hubble es casi 10 veces mejor que el mejor telescopio terrestre, unos 0,1 segundos de arco (600 veces más que nuestro ojo).


  • Fabricación del espejo.


Los telescopios ópticos generalmente tienen espejos pulidos a una exactitud de alrededor de una décima parte de la longitud de onda de la luz visible, pero en el espacio el telescopio se utilizará para la observación de lo visible a través de la radiación ultravioleta (longitudes de onda más corta). Por lo tanto el espejo necesitaba una precisión de pulido de 10 nanómetros, o alrededor de 1 / 65 de la longitud de onda de la luz roja. En el extremo longitud de onda larga, no fue diseñado con un rendimiento óptimo para el infrarrojo, limitando así su efectividad. Una vez que el proyecto del telescopio espacial se había dado el visto bueno, el trabajo se dividió entre muchas instituciones. Se le encargó a la empresa óptica Perkin-Elmer diseñar y construir el Ensamblaje del Telescopio Óptico (OTA), el cual se comprometió a fabricar el espejo más perfectamente pulido de todos los tiempos.

Proceso de pulido del espejp principal del Hubble

La construcción del espejo de Perkin-Elmer comenzó en 1979, el pulido espejo continuó hasta mayo de 1981 y se finalizó a finales de ese año. El retraso del proyecto puso en tela de juicio la buena labor de Perkin-Elmer por parte de la NASA, la cual se vio obligada a posponer la fecha de lanzamiento hasta septiembre de 1986. Por este tiempo el presupuesto total del proyecto se había elevado a 1,175 mil millones de dólares. La finalización del espejo se terminó con presiones del “cliente” por demora, y como todos los colegas ópticos saben, cuando ocurre eso siempre pasa “lo peor”…

Comprobación del espejo tras su acoplamiento en el telescopio


  • Houston, tenemos un problema... de vista


Después de una larga demora debido al desastre del Challenger en 1986, el Telescopio Espacial Hubble se puso en órbita el 24 de abril de 1990, a bordo del transbordador espacial Discovery. A las pocas semanas después de la puesta en marcha del telescopio, las imágenes que llegaron del telescopio mostraron que había un grave problema con el sistema óptico.
A la izquierda, PSF de un punto producido por el Hubble. A la derecha, imagen borrosa de una galaxia.

Las imágenes mostraban aberración esférica, un defecto en el que el sistema óptico concentra la imagen en diferentes focos según incida la luz en la zona central o en la periferia, fruto de un error en el pulido del espejo primario.
Aberración esférica del Hubble

A pesar de que fue probablemente el espejo fabricado más preciso de la historia, era demasiado plano en los bordes (alrededor de 2200 nanómetros, menos del diámetro de un cabello humano) Esta diferencia fue catastrófica, introduciendo dicha aberración. Previsiblemente un error al “redondear” una cifra en el cálculo de pulido del orden del decimal número 20 o superior. Durante el pulido del espejo, Perkin-Elmer analizó su superficie con dos correctores de defectos, los cuales indicaron correctamente que el espejo estaba sufriendo de aberración esférica. La compañía ignoró estos resultados ya que consideró que los dos correctores de defectos eran menos precisos que el dispositivo principal, el cual informaba que el espejo estaba perfectamente calculado. Esto junto con los retrasos en la entrega hizo que la NASA rompiera sus relaciones con dicha compañía, acusándolos de no haber pasado el suficiente control de calidad y de no haber asignado a los mejores ópticos para su fabricación y supervisión.


  • COSTAR salva el día.


Cuando la NASA se encontró con el problema de la aberración, y temiendo otro elefante blanco, reunió a su comité de sabios para una tormenta de ideas… Y a alguien en cuanto empezó la ronda exclamó: “Yo cuando veo mal voy al optometrista a que me receten gafas. Si nuestro telescopio ve mal, entonces necesitará que le pongamos gafas”. Por lo que un problema ocasionado por ópticos lo tenían que resolver otros ópticos. Los científicos aprovecharon una de las mejores ventajas del telescopio, que es la capacidad de poder arreglarlo en órbita, por lo que el plan consistía en reemplazar una de las piezas de las que disponía el telescopio (el fotómetro de alta frecuencia) y sustituirlo por un sistema corrector consistente en espejos que producía la misma aberración con el signo opuesto para contrarrestar la existente (tal y como corrige una lente divergente la miopía de un ojo: provocando una hipermetropía del mismo valor para contrarrestarla). Se trataba de las “gafas” del Hubble, llamado COSTAR, "Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement" (reemplazo axial de óptica correctiva para telescopio espacial)

Las “gafitas” para el Hubble no es que se parezcan a las que conocíamos…

El diseño del COSTAR fue encargado por la NASA a Ball Aerospace & Technologies Corp. y puesto en órbita el año 1993 por el transbordador Endeavour. La misión de sustitución de piezas del Hubble fue considerada una de las misiones más complejas llevadas a cabo por la NASA en su historia, que incluía cinco largos períodos de actividad extra-vehicular, y su éxito fue una gran bendición para la NASA, así como para los astrónomos que ahora tenía un telescopio espacial plenamente capaz.

Astronautas acoplando el COSTAR dentro del telescopio

El resultado de dicha operación fue todo un éxito. El Hubble recuperó prácticamente toda la resolución que debería tener desde un principio, con una alta calidad de imagen.

Imagen antes y después de instalar COSTAR ¿Donde ve mejor, Hubble, en uno o en dos?

En 2002, en la quinta misión de mantenimiento del telescopio ya se habían sustituido las piezas afectadas por la aberración por sistemas con su propia óptica correctiva, por lo que COSTAR ya no fue necesario y fue retirado y devuelto a la Tierra en 2009. Su espacio lo ha ocupado el Espectrógrafo de Orígenes Cósmicos. Ahora mismo reside en el museo Smithsonian del Aire y el Espacio en Washington, EEUU.


  • Grandes logros del Hubble.


Gracias al telescopio Hubble se ha podido calcular con precisión la velocidad de expansión del universo y su antigüedad, así como detectar la aceleración de la expansión del universo empujando a los científicos buscar su causa, teorizada actualmente por la energía oscura. Ha descubierto que en el centro de la gran mayoría de las galaxias se encuentra un agujero negro supermasivo. Ha sido testigo de explosiones de supernovas, de nacimientos estelares y de la colisión del cometa Shoemaker-Levy 9 en 1994 en la superficie de Júpiter, aunque quizás la gran aportación del Hubble sea su imagen del campo ultra profundo. En ella se fotografió una imagen de una pequeña región del espacio en la constelación de Fornax durante un período de cuatro meses. Es la imagen más profunda del universo jamás tomada. Mira hacia atrás unos 13 millones de años (entre 400 y 800 millones de años después del Big Bang). La imagen contiene unas 10.000 galaxias (que se ven como si fueran estrellas)

Imagen del campo ultra profundo. Cada punto es una galaxia con miles de millones de estrellas

Y con esto concluimos la historia vítrea de hoy. Dejo de Bonus un vídeo con algunas de las más espectaculares imágenes tomadas por el Hubble. Un saludo.




Fuentes:

sábado, 11 de septiembre de 2010

VISION BINOCULAR (I): Evolución de la visión binocular

Buenas a todos. El título del post puede sonar a que voy a explicar algo de manera muy técnica y esa no es mi intención. Podría hacerlo ya que tengo ahora mucha más información gracias a los conocimientos de cursos y masters, pero cuando empecé el blog quería que llegara al máximo número de gente posible. Así que aunque a ratos me tenga que meter en terrenos un poco "farragosos" voy a intentar explicar este tema, poquito a poco y empezando por lo fácil.


Antes de empezar a hablar de la binocularidad, hablaremos de la evolución y de cómo la binocularidad ha jugado un papel decisivo en ella.

  • Translocación ocular.

Hace miles de años el organismo marino del que todos descendemos, poseía dos ojos al igual que nosotros, pero localizados a ambos lados de la parte delantera casi a la altura de lo que podríamos llamar "morro" del animal. Estos ojos detectaban luz y se movían de manera independiente el uno del otro. el cerebro primigenio detectaba muy bien los movimientos y se valía de ellos para poder conocer su localización espacial. Tenían un mecanismo que el hombre ha heredado pero que sólo se manifiesta en determinados casos (cuando falla el sistema binocular evolucionado), en forma de anomalía llamada DVD o desviación vertical disociada: Cuando mira con un ojo, el otro mira hacia arriba para saber por donde viene la luz de la superficie para tomarla de referencia para así orientarse. Realmente es más complejo que todo esto, pero nos sirve para saber cómo funcionaban estos dos ojos primigenios. Se puede decir que es una herencia que nos deja el cerebro reptiliano, parte del llamado cerebro triúnico (formado por el complejo reptiliano, el sistema límbico y el neocortex). Mostraba una gran ventaja en cuanto a campo visual se refiere, ya que sobrepasaba ampliamente los 220º grados verticalmente. De hecho, muchas especies animales desarrollaron la capacidad de mover de manera independiente los dos ojos, para así poseer un sistema "biocular" (trabajan dos ojos pero no conjuntamente).


Partes del cerebro triúnico, donde se ve el área del cerebro reptiliano.


Infografía en la que se ve bien el área visual del pez, así como más información alrededor de su visión, tomada del area de zoología del proyecto de aulas virtuales de educa madrid (enlace)


Campos visuales de diferentes especies de tiburones martillo (sacado de: Enhanced visual fields in hammerhead sharks. McComb DM, Tricas TC, Kajiura SM. J Exp Biol. 212 (2009) pp: 4010-4018. PubmedID: 12700818)


¿Que ocurrió después? Que la especie evolucionó y acabó por tomar tierra. Esos animales siguieron evolucionando, con el caso especial de la visión (que está demostrado que ha evolucionado muy rápidamente y con diferentes soluciones según el medio, como se desprende de este estudio) y, en un momento de ese proceso, los ojos pasaron a aparecer aparecer junto con una cara "mas plana", en la que los órganos de la vista se colocaron más juntos y el órgano olfativo más abajo (proceso llamado "translocación ocular"). Un ejemplo de ello lo tenemos en las lechuzas, comparándola, por ejemplo, con la paloma.


Comparativa entre el campo visual de la paloma y el de la lechuza, con una diferencia notable en el amplio campo de visión binocular que muestra la lechuza con respecto a la paloma. (Fuente: traducción de la wikipedia en inglés)


¿Porqué ocurrió esto? Porque de esta manera, al no tener obstáculos tanto el ojo izquierdo a su derecha como el derecho a su izquierda, ambos pueden aumentar su campo visual a ambos lados, lo que hace que ambos ojos puedan dirigir su mirada al mismo punto, cruzándose sus campos visuales y así produciendo un campo visual conjunto en el centro donde ambos ojos veían la misma imagen (y dos campos periféricos independientes de cada ojo). Esto es: se creaba un campo visual binocular.

  • Adaptación cerebral a la nueva situación.

Tras esta nueva situación ocular, el cerebro comenzó a sacarle partido. Para ello tuvo que especializarse enormemente, y crear nuevas subdivisiones dentro del mismo para poder hacer frente a la nueva información y poder sacarle partido. Según estudios, la zona que más evolucionó en ese sentido fue el cuerpo calloso, una estructura encargada de conectar información de los dos hemisferios y de núcleos internucleares cerebrales, haciendo de "parada" a la información que viene directamente de los órganos sensoriales que la manda a las estructuras más específicas de cada área. En este estudio, muy completo, se habla de todas estas cuestiones.



Figura 3. En V1, las fibras del cuerpo calloso conectan columnas de dominancia ocular ipsilaterales con columnas de dominancia ocular contralaterales, lo que representa visualmente los puntos equivalentes. N, nasal; T, temporal. Extraído de "One hundred million years of interhemispheric communication: the history of the corpus callosum". F. Aboitiz and J. Montiel Braz J Med Biol Res, April 2003, Volume 36(4) 409-420 (Review)



Representación topográfica de los campos visuales de ambos lados del cerebro en reptiles y mamíferos. En los reptiles, las proyecciones visuales topográficas se localizan en el tectum óptico mesencefálico (OT), mientras que la corteza dorsal telencefálica (DCX) tiene una organización muy pobre. En los mamíferos, el colículo superior tiene una organización compleja, pero la representación topográfica más importante es en la corteza visual primaria (VCX, homóloga a la DCX). La comisura tectal (TC) se conecta a las dos representaciones parciales del campo visual en el mesencéfalo de reptiles y mamíferos, mientras que en la corteza visual de mamíferos las hemirepresentaciones se conectan a través de la comisura anterior (CA) o del cuerpo calloso (CC). L, izquierda, R, derecha.


La otra gran mejora que hizo el cerebro frente a la nueva situación fue la evolución del cuerpo geniculado lateral, núcleo responsable de la binocularidad (dentro del cuerpo calloso). En este otro estudio, se arroja una relación directa entre evolución del cuerpo geniculado y el aumento cerebral en primates, concretamente las células parvocelulares.


Correlación entre la evolución de la convergencia de las órbitas correlacionados con el número de células del CGL en los primates. Los gráficos relativos filogenéticos muestra contrastes en el número de neuronas en las capas relativas parvocelulares (A) y magnocelulares (B) con respecto al grado de convergencia orbital. "Binocularity and brain evolution in primates"
R. A. Barton. Proc Natl Acad Sci U S A. 2004 July 6; 101(27): 10113–10115.


Y la otra consecuencia en la evolución del cerebro fue la especialización dentro de la corteza cerebral occipital, lo que provocó un aumento significativo en el volumen cerebral. En este estudio se arroja una relación directa entre el tamaño cerebral de la zona visual primaria y la binocularidad.


Arriba a la izquierda, corte de la corteza visual de un mono tití. Arriba a la derecha, gráfico en el que se compara el volumen que ocupan las células en la corteza visual de diferentes especies de primates. Abajo, representación gráfica de la neocorteza posterior de tres especies de primates diurnos con tamaños diferentes del cerebro. A la izquierda: tití; en el medio: macaco, en el derecho: el hombre. "Visual maps in the adult primate cerebral cortex: some implications for brain development and evolution". M.G.P. Rosa. Braz J Med Biol Res. 2002 Dec;35(12):1485-98.


  • Ventajas evolutivas de la visión binocular.

Así, además de la ventaja evidente de que el campo resultante es mayor que el de un ojo unicamente ¿Para que más ayudaba este campo visual? Principalmente para estas cosas:

  • Percepción de distancias
  • Percepción de volúmenes
  • Percepción de profundidad, estas tres juntas se pueden englobar en lo que se llama "visión binocular".
  • Mayor definición de las imágenes
  • Mejor percepción de los colores
  • Corrección de defectos de imagen de los ojos por individual
  • etc etc...

Pero nos vamos a centrar en el aspecto de la tridimensionalidad. El animal que podía ver en tres dimensiones tenía una ventaja clara frente al que no lo hacía. Podían trepar por los árboles para escapar y vivir, podían distinguir grutas donde otros ven agujeros, para poder ocultarse de los depredadores. Podían coger los frutos en las plantas espinosas sin pincharse, por lo que accedía a mayor alimento. Hasta es posible que también influyó en poder distinguir la mejor pareja para el apareo. Son unas ventajas muy importantes que hicieron que esa disposición de los órganos se hiciera más común en el reino animal. Todo muy bien hasta ahora, pero... ¿Cual es el precio de esta ventaja? Que el cerebro se tuvo que especializar enormemente en aspectos nuevos de la visión, así aparecieron los tres grados de binocularidad:

  1. El alineamiento correcto de ambos ojos para que se produzca visión simultánea (grado I de binocularidad)
  2. Procesar ambas imágenes simultáneas para poder interpretarlas como una única imagen, la fusión binocular (grado II de binocularidad)
  3. Procesar la profundidad espacial de la imagen, llamada estereopsis (grado III de binocularidad).

Todos estos nuevos mecanismos implicaron que para que se pudieran desarrollar dichos grados de binocularidad no fuera bastante únicamente con poseer dos ojos, sino que fue necesaria la correcta alineación de los ojos desde muy pequeño. Un estudio con ratones revela que dicho esfuerzo de alineamiento ocular se produjo mucho después de la translocacion ocular, lo cual hizo acelerar el desarrollo cerebral dentro de los mamíferos.


A, Retina del ratón. B, Retina humana, C, Modelo evolutivo provisional que explique la coordinación de los cambios en el patrón de la retina del ojo después de la rotación binocular de las especies. Durante la aparición de la binocularidad, la rotación del ojo cambiaría las relaciones espaciales en "fijar" el centro de la retina ya que ahora se encuentran más cerca del centro de la retina, con lo que ha cambiando los patrones cerebrales en el CGL. "Mapping labels in the human developing visual system and the evolution of binocular vision." Lambot MA, Depasse F, Noel JC, Vanderhaeghen P. J Neurosci. 2005 Aug 3;25(31):7232-7.


Y con este problema de alineamiento nos enfrentamos los optometristas y oftalmólogos en la clínica. En el proximo post seguiremos este viaje a través de la binocularidad hablando sobre los movimientos oculares y sus problemas y tratamientos. Un saludo.