Más allá de lo invisible

Fuera del intervalo de luz que nuestros ojos pueden observar, sigue existiendo luz.

La luz es una radiación electromagnética, una onda que oscila con una longitud periódica que llamamos longitud de onda y que está directamente relacionada con la frecuencia de vibración y con el color de la luz. Si imaginamos el patrón producido por la propagación de las ondas definiendo una trayectoria de pico a valle que se repite, denominamos longitud de onda a la distancia de pico a pico. Esta es menor en las longitudes de onda cortas (por debajo del azul) y mayor en las largas (hacia el infrarrojo). Al rango total se le denomina espectro electromagnético.

Nuestro ojo puede detectar un rango de longitudes de onda desde 380 a 740 nanómetros, una fracción pequeña del espectro electromagnético que comienza en el violeta (de 380 a 450 nanómetros), continúa hacia el azul (de 450 a 495 nanómetros), el verde (de 495 a 570 nanómetros), amarillo (de 570 a 590 nanómetros), naranja (de 590 a 620 nanómetros), hasta el rojo (de 620 a 740 nanómetros). Toda radiación fuera de este espectro es invisible a nuestros ojos. Por encima del rojo encontramos el infrarrojo, el rango de microondas y las ondas de radio. Por debajo del azul están los rayos ultravioletas, los rayos-X y los rayos gamma. Pero ¿qué está sucediendo ahora mismo en nuestro entorno y cómo podríamos detectar todo aquello que no podemos ver? Los diseños de los telescopios, sus componentes y su instrumentación, se adaptan al rango que queremos estudiar y utilizamos detectores sensibles a esos rangos espectrales que son invisibles para nosotros. La Astronomía, de la mano de la Tecnología, se enfrenta a apasionantes retos para comprender un Universo al que no puede tocar ni, en muchos casos, ver.

En longitudes de onda cortas podemos estudiar la morfología de los cometas, incluyendo el origen de los elementos químicos y las propiedades de sus núcleos, las nebulosas ionizadas y las abundancias de sus elementos ligeros, estrellas masivas en nuestra Galaxia y el Grupo Local, buscar indicios de agua en el cinturón de asteroides o medidas del fondo cósmico ultravioleta. Estos son algunos de los principales casos científicos de los instrumentos CUBES y BlueMUSE, ambos en fase de diseño en los que participo para el telescopio VLT, en Chile.

En longitudes de onda aún más cortas, en el ultravioleta extremo, se puede observar fenómenos como la aceleración de partículas, presente en numerosos objetos astronómicos tales como galaxias con núcleos activos, agujeros negros, estrellas de neutrones, estallidos de rayos gamma o discos de acreción. Este es un fenómeno fundamental por el cual partículas energéticas en el Universo influencian las condiciones para que tenga lugar la vida y su continuación.

En nuestro Sistema Solar, el acelerador de partículas más energético es el Sol y su cercanía lo convierte en un escenario privilegiado para su estudio. Sin embargo, la atmósfera de la Tierra absorbe la radiación del ultravioleta extremo y la única manera de observar en este rango es desde el espacio. Para estudiar estructuras bidimensionales dinámicas en el Sol y las propiedades de sus campos magnéticos, es necesario aplicar Espectroscopía de Campo Integral. Debido a la baja transmisión de las fibras ópticas en este rango, la mejor opción es la tecnología de image slicer, que utiliza un sistema óptico formado por varios conjuntos de espejos de dimensiones micrométricas para rebanar la imagen de la región del Sol observada y modificar su distribución geométrica formando una rendija larga que iluminará un espectrógrafo. Este, a su vez, está formado por diferentes elementos ópticos para descomponer la luz obteniendo su espectro, a partir del cual podemos inferir información sobre los fenómenos que tienen lugar en su interior y predecir su evolución.

El primer espectrógrafo solar de campo integral con image slicer para el ultravioleta extremo, SISA (Spectral Imaging of the olar Atmosphere), ha sido propuesto por el Reino Unido en una colaboración entre la Universidad de Durham (Ariadna Calcines Rosario) y UCL (Sarah Matthews y Hamish Reid). SISA observará una región bidimensional del Sol en dos ventanas espectrales (17,8 – 19,5 nanómetros y 24,6 – 25,8 nanómetros) obteniendo el espectro de todos los puntos del campo simultáneamente en alta resolución y en un tiempo cien veces menor que las soluciones actuales. SISA utiliza solamente dos componentes ópticos: un conjunto de espejos rebanadores (slicers) con potencia y redes de difracción con curvatura. Cada red produce el espectro asociado a una rebanada del campo, cuya distribución se controla con la orientación de cada red, como se muestra en la imagen.

Antes de enviar tecnología al espacio debemos pasar una serie de pruebas para validarla y mitigar riesgos. Creímos, de cualquier modo, que merecía la pena el esfuerzo, imaginar lo “imposible” para poder ver más allá de lo invisible.

Biografía

Ariadna Calcines Rosario nació en Gran Canaria (Agaete). Es Doctora en Astrofísica por la Universidad de La Laguna. Se especializó en el diseño de Instrumentación Astrofísica. Actualmente trabaja en el Centro de Instrumentación Avanzada de la Universidad de Durham, en el Reino Unido. Entre sus proyectos destacan el diseño de instrumentación para: EST, GREGOR, VLT, ELT, GEMINI North y proyectos espaciales de la Agencia Espacial Europea. Recibió el premio a la mejor tesis doctoral española en Instrumentación, Computación y Desarrollo Tecnológico en Astronomía y Astrofísica 2013-2014 y acaba de recibir el premio al Joven Talento Científico Femenino en la categoría de aplicaciones de la ciencia a la tecnología otorgado por la Fundación Real Academia de Ciencias de España (FRACE) en colaboración con Mastercard, por el desarrollo de la tecnología de image slicers para Física Solar.

"Sección coordinada por Adriana de Lorenzo-Cáceres Rodríguez"