miércoles, 22 de septiembre de 2010

Enfocando la historia (I) EL DEFECTO DEL HUBBLE: CUANDO EL OJO QUE MÁS LEJOS HA VISTO NECESITA GAFAS

Este post se publica en una nueva sección del foro de ópticos-optometristas, llamada "enfocando la historia", en la que voy a colaborar a partir de ahora con pequeñas historietas referentes al mundo de la óptica y la optometría que han surgido a lo largo de la historia.

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: