El legado del telescopio Hubble

Ilustración artística del telescopio Hubble en órbita. Crédito: ESA.

El 24 de abril se cumplieron 25 años desde que el Telescopio Espacial Hubble (HST) fue lanzado desde Cabo Cañaveral, Florida, en una órbita terrestre baja a bordo del transbordador espacial Discovery.

Además de revolucionar la astrofísica, el primer observatorio óptico importante en el espacio –construido por NASA con contribuciones de ESA– ha llevado la emoción del descubrimiento científico a millones de hogares.

El observatorio, que da una vuelta alrededor de la Tierra cada una hora y media, ha completado más de 130.000 órbitas y tomado más de 1 millón de exposiciones de objetos astronómicos, desde nubes de polvo a galaxias lejanas. Más de 12.800 artículos científicos han usado resultados del HST y han sido citados más de 550.000 veces, lo que lo convierte en el instrumento científico más productivo construido hasta ahora.

¿Cuáles son los secretos del éxito del Hubble? Su longevidad, pionero en los datos públicos, archivado superior, atención a las necesidades de la comunidad, equipos dedicados de agencias espaciales, astronautas, científicos e ingenieros, y una destacada infraestructura de divulgación; todos estos son aspectos clave que transformaron lo que inicialmente parecía una falla gigantesca del espejo primario en un triunfo científico.

Ahora podemos decir que Hubble nos ha enseñado que para responder las preguntas más intrigantes en astrofísica, debemos pensar en grande y poner la ambición científica por delante de los problemas de presupuesto.

En los detalles

La grandeza del HST no está tanto en sus singulares descubrimientos que ha realizado como en la confirmación de los resultados de otros observatorios. A medida que más detalles se vuelven visibles, los astrofísicos tienen que perfeccionar sus teorías sobre el Universo.

El poder del telescopio se debe a su gran altura sobre la atmósfera de la Tierra, a una altitud de aproximadamente 560 kilómetros. Al no ser afectado por la luminiscencia atmosférica (una luz débil emitida por procesos químicos atmosféricos) y la turbulencia, el Hubble tiene una visión muy nítida (resolución) y puede detectar objetos tenues (sensibilidad), a pesar de que su espejo de 2,4 metros de diámetro es pequeño para los estándares de hoy (la norma actual es de 8 a 10 metros). Puede resolver objetos con 0,07 arcosegundos de separación, lo que es similar a leer el año de una pequeña moneda desde tres kilómetros de distancia. Eso es diez veces superior en luz visible de lo que cualquier observatorio terrestre puede alcanzar.

El telescopio observa en longitudes de onda desde el ultravioleta al infrarrojo cercano, incluyendo bandas que son bloqueadas por la atmósfera y por tanto no visibles desde la superficie terrestre. Su capacidad en el ultravioleta es aproximadamente 100 veces mayor que la de sus predecesores o de cualquier telescopio actual.

El plan original para el Hubble era abordar tres problemas importantes: medir cuán rápido se expande el Universo, averiguar cómo evolucionan las galaxias, y estudiar la estructura de las nubes de gas difusas que hay entre las galaxias (el medio intergaláctico). El telescopio ha tenido éxito y ha encontrado cosas interesantes en el camino. Algunos de sus logros científicos son mencionados a continuación.

Mayores éxitos

Uno de los primeros trabajos del telescopio era reducir la incerteza en la velocidad de expansión cósmica, llamada “constante de Hubble”, como el telescopio espacial, en honor a su descubridor: Edwin Hubble. Entre 1994 y 2011, la incerteza se redujo desde un factor de dos a un porcentaje muy bajo. Hubble ayudó por lo tanto a establecer la edad del Universo en 13.800 millones de años. Lo realizó al estudiar galaxias más lejanas midiendo los cambios de luminosidad con el método de las estrellas variables Cefeidas.

El HST confirmó en 1998 que la expansión cósmica se está acelerando, impulsado por una misteriosa forma de energía apodada “energía oscura”. Esto se logró al monitorear supernovas que están fuera de alcance para los telescopios terrestres. Comprender la naturaleza de la energía oscura es uno de los desafíos más importantes que enfrenta la física.

El telescopio también produjo un ‘resumen ejecutivo’ acerca de la formación estelar a través del tiempo cósmico. En una serie de observaciones de aproximadamente 10 días entre 1995 y 2014, observó atentamente pequeñas regiones del cielo, alcanzando profundidades nunca antes logradas por otro instrumento. Las imágenes resultantes se conocen colectivamente como los Campos Profundos del Hubble. Al descubrir que muchas galaxias ya existían 500 millones de años después del Big Bang, el HST desafió ideas acerca de cómo se formaron las primeras estrellas, calentaron y reionizaron el Universo. Los astrónomos todavía intentan entender completamente por qué la tasa a la que nacieron nuevas estrellas alcanzó un máximo hace 10.000 millones de años.

Usando su alta resolución para observar los movimientos de las estrellas y el gas en el centro de las galaxias, el telescopio Hubble demostró que casi todas las galaxias tienen un agujero negro supermasivo (con masas de millones a mil millones de veces la del Sol) en su centro. La masa de los agujeros negros y del bulbo de estrellas que los rodea, demuestra que las galaxias y los agujeros evolucionaron en forma conjunta.

El Hubble también determinó por primera vez la composición química de las atmósferas de algunos planetas extrasolares, revelando en 2001 las firmas espectrales de elementos tales como sodio y, en 2008, moléculas como agua y metano. Un telescopio más grande podría un día ser capaz de identificar huellas de procesos biológicos –como oxígeno y clorofila– en las atmósferas de planetas rocosos fuera del Sistema Solar.

Secretos de éxito

La destreza científica no es la única razón del éxito del Hubble. Cinco misiones de servicio realizadas en 1993, 1997, 1999, 2002 y 2009 por los astronautas de transbordadores espaciales, permitieron al telescopio ser reinventado. Los astronautas introdujeron óptica correctiva, reemplazaron grabadores de cinta mecánicos por unidades de memoria de estado sólido, actualizaron los paneles solares e instalaron cámaras y espectrógrafos. Sin reparaciones, el Hubble no estaría trabajando hoy en día, o estaría operando con tecnología de la década de 1970.

La suerte favorece al preparado. Cuatro factores más han multiplicado la productividad del telescopio espacial: disponibilizar los datos de forma pública y con rapidez; archivado efectivo y accesible; adopción de proyectos riesgosos; y un sistema robusto de financiación y becas.

El pensamiento creativo fue desafiado al reservar 10% del tiempo de observación para propuestas muy grandes, fuertemente dependientes del tiempo o no convencionales, a discreción del director. La obtención de imágenes del Campo Profundo del Hubble original, por ejemplo, fue defendida y dirigido por Robert Williams, luego director del operador científico del Hubble, el Space Telescope Science Institute (STScI). Otros observatorios, incluyendo el Observatorio Gemini en Hawái y Chile y el Large Binocular Telescope en Arizona, han adoptado este enfoque.

A los investigadores se les concede un año para analizar las observaciones de Hubble antes que los datos se hagan públicos. Los conjuntos especiales de datos tales como los Campos Profundos se hicieron públicos de inmediato. El HST no fue el primer observatorio espacial en adoptar esta política, pero inspiró a otros a seguirla, como por ejemplo el observatorio Swift.

Desde el comienzo, el archivado y difusión de los datos fue más riguroso y más altamente automatizado (incluyendo datos calibrados, por ejemplo) que en otros observatorios. Durante la última década, cada año se ha publicado más papers basados en archivos que aquellos que usan datos propietarios: en 2014, 302 papers basados solo en datos de archivo; 283 usaron datos propietarios. El Observatorio Europeo Austral (ESO) adoptó las prácticas de archivado de Hubble en 1993.

Todas las observaciones adjudicadas del HST poseen una subvención de investigación de NASA, para asegurar que los datos sean analizados y que los resultados se publiquen rápidamente. Desde 1990, se ha aceptado más de 4.600 propuestas para el HST, y las subvenciones alcanzan un total de alrededor de US$500 millones.

El proyecto también ha patrocinado una nueva generación de excelentes investigadores. Desde 1990, ha habido 352 becarios del Hubble, investigadores postdoctorales que son financiados para trabajar de manera independiente durante tres años en ciencia relacionada con Hubble en universidades estadounidenses. Desde 1993, unas 500 tesis han usado datos del Hubble.

El telescopio del pueblo

El HST ha transformado el paisaje de la divulgación científica y educación. Una oficina de divulgación del STScI fue financiada casi desde el comienzo para ofrecer comunicados de prensa, divulgación en línea y educación en colegios, centros científicos y planetarios. La incorporación de la oficina al STScI –ubicado en el campus de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, Maryland– garantizó la participación de astrónomos profesionales.

Los educadores de Hubble fueron pioneros en la difusión en línea de materiales para los colegios, comenzando en un momento en que había muy poco contenido disponible. Hoy sus materiales alcanzan más de 6 millones de estudiantes y 500.000 educadores cada año solo en Estados Unidos. Las presentaciones multimedia sobre galaxias, exoplanetas y agujeros negros son usadas en centros científicos de todo el mundo.

Las imágenes del Hubble se han infiltrado en la cultura general. Un equipo dedicado asegura su calidad visual. Las vistas de HST han sido incluidas en exhibiciones artísticas de Baltimore a Venecia. Adornan portadas de libros y discos de música –como Binaural de Pearl Jam–, han inspirado música clásica contemporánea –como The Hubble Cantata de la compositora Paola Prestini– y espectáculos de danza.

¿Y ahora qué?

Hubble ha demostrado que es mejor financiar el experimento correcto completamente en vez de comprometerlo por ajustarse a un presupuesto muy bajo. Asimismo, los futuros grandes esfuerzos astronómicos deberían: identificar la pregunta más importante que necesita ser contestada; determinar qué se requiere para responder la pregunta y la factibilidad técnica de hacerlo; estimar el costo total de tal proyecto; evaluar si el objetivo justifica la inversión; y actuar en consecuencia. Es decir, establecer el perfil de financiamiento necesario y mantenerlo estable. Evitar sobrepasar el costo al planearlo y supervisarlo cuidadosamente.

La pregunta más intrigante en astronomía es, tal vez, si existe vida en otros lugares del Universo. Gracias a muchos observatorios, entre ellos el telescopio Kepler, sabemos que la Vía Láctea está poblada por cientos de millones de planetas del tamaño de la Tierra en las zonas habitables de sus estrellas.

The next steps are laid out. Cuando sea lanzado en 2017, el Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) debería encontrar un puñado de planetas cercanos con masas ligeramente superiores a la de la Tierra en las zonas habitables de estrellas de masa baja. Los periodos orbitales de tales planetas son cortos y sus estrellas tenues, lo que los hace más fáciles de detectar. Luego, el JWST que será lanzado en 2018, y el Wide Field Infrared Survey Telescope–Astrophysics Focused Telescope Assets (WFIRST/AFTA), planeado para ser lanzado cerca de 2024, debería buscar agua y otras moléculas en las atmósferas de algunos de estos planetas.

Se necesitará un telescopio más poderoso para poner límites estadísticos significativos acerca de cuán común o rara es la vida en nuestra galaxia. Uno con un espejo de al menos 12 metros de diámetro y con una resolución 25 veces la del Hubble sería capaz de obtener imágenes de exoplanetas cercanos a sus estrellas y detectar espectralmente la presencia de oxígeno y otras biofirmas en sus atmósferas. WFIRST/AFTA debería poder detectar un planeta mil millones de veces más tenue que su estrella; se requiere un contraste de 10 veces superior para obtener una imagen de un análogo de la Tierra cerca de una estrella similar al Sol. Claramente, un telescopio con esa capacidad ofrecería muchos otros descubrimientos.

Se espera que un informe acerca de un telescopio con tan alta resolución sea publicado en junio por la Asociación de Universidades para Investigación en Astronomía. Ahora, se debería tomar varios pasos. En primer lugar, NASA, ESA y otros posibles socios internacionales deberían convocar un panel para examinar tal proyecto. Los estudios de desarrollo de tecnología deberían acelerarse a fin de que sea posible un lanzamiento alrededor de 2030. La búsqueda de vida debe ser priorizada en los próximos sondeos que guían las decisiones nacionales de financiación de misiones.

Por primera vez en la historia de la humanidad, la respuesta para la pregunta “¿Estamos solos?” está al alcance.

Fuente: Nature