Bajo el rojo: Telescopio Espacial Nancy Grace Roman

Fuente: NASA,
ESA, S. Beckwith
(STScI), and
The Hubble
Heritage
Team (STScI/AURA)

 No es necesario que imaginéis las imágenes del telescopio Hubble. Además, hablan por sí mismas. La agudeza, la calidad, la profundidad... Sin embargo, si miráis al cielo, e intentáis imaginar su campo de visión... pues teniendo como escala la Luna llena, resulta que podría ser tan pequeño como, tal vez la cabeza de un alfiler. Con telescopios más modernos, como Euclid, ahora podemos observar grandes franjas del cielo de una sentada. ¿Y si en vez de uno, tenemos más? ¿Y si, además, resulta tener la calidad de imagen del mismísimo Hubble? Dejad de soñar. Su lanzamiento está a la vuelta de la esquina.

La idea de un telescopio con la calidad de imagen del gran observatorio espacial pero con un campo de visión mucho mayor nació hacia el comienzo de la década del 2010 en uno de los muchos estudios que

suelen presentarse. Se le denominó WFIRST, o Telescopio de Rastreo Infrarrojo de Campo Ancho. Al mismo tiempo, en la NASA se barajó la posibilidad de tener un telescopio para el estudio de la materia y la energía oscura. Aún más, existía la posibilidad de que la agencia recibiera, como donación, dos telescopios procedentes de la NRO, la Agencia Nacional de Reconocimiento, que opera los satélites espía del gobierno estadounidense. ¿Y si fuera posible fusionar todas estas ideas en una gran misión, la siguiente GRAN misión después del telescopio James Webb? La fusión se la conoció, durante un tiempo como WFIRST-AFTA (Activos Telescópicos Enfocados a la Astrofísica), y los trabajos progresaron. Al final, tras numerosas decisiones sobre el observatorio, qué cohete usar, dónde lanzarlo, el proyecto fue aprobado para su desarrollo el 17 de febrero del 2016, con una misión dedicada a la cosmología y a la exploración. Pero, ¿cómo nombrarlo?

Los grandes observatorios que lanza la NASA suelen nombrarse en honor de grandes figuras de la astronomía. Muchos de estos nombres son de astrónomos que contribuyeron en el avance de la astronomía. Sin embargo, ¿Quién da nombre al nuevo telescopio?

Nancy Grace Román (Nashville, 1925-Germantown, 2018) fue una astrónoma de vocación muy temprana. Su madre fue profesora de música, mientras su padre fue físico y matemático, por lo que su destino en ciencias estaba cantado. Es cierto que, en la época de su juventud una mujer dedicada a la ciencia, especialmente en astronomía, era algo casi nunca visto, hasta el punto que hubo profesores que intentaron disuadirla, sin éxito. Estudió primero en la universidad Swarthmore College, para después trasladarse a la de Chicago. Se doctoró en 1949, para dedicar sus esfuerzos en las estrellas, su estudio espectroscópico. También estaba versada en el análisis de datos, y tan pronto como 1954 propuso a la Universidad de Chicago la adquisición de un ordenador para poder procesar los datos de observación. Sin embargo, un gigante de la astronomía como fue Subrahmanyan Chandrasekhar rechazó la idea al considerarla no útil para el propósito. Decisiones como está, y la total falta de oportunidades para las mujeres en los estudios superiores y la investigación hicieron que Roman abandonase la Universidad. En este tiempo publicó diversos artículos científicos. Uno de ellos versa sobre el estudio de estrellas semejantes al Sol, que ella dividió en dos categorías según su contenido químico y sus movimientos, siendo las que tienen menor abundancia de elementos pesados que el hidrógeno y el helio se mueven más rápido que las que cuentan con una mayor cantidad. También pudo descubrir que las estrellas comunes, a pesar de su parecido entre sí, no necesariamente tienen la misma edad. Y, también pudo ver que aquellas estrellas con líneas de emisión más fuertes se mueven más próximas al centro galáctico, mientras que las que no se mueven en patrones más elípticos fuera del plano galáctico, una primera descripción de la forma de la Vía Láctea. Este estudio dio la primera pista de la formación de nuestra galaxia, siendo el precursor de trabajos futuros, y hoy es considerado como uno de los 100 artículos más importantes del siglo. En 1955 publicó un catálogo de estrellas de alta velocidad, en el que proporciona un método para encontrar estrellas más pesadas. Incluso en 1959 ya publicó un artículo acerca de la posibilidad de encontrar planetas alrededor de otras estrellas. Después de abandonar Chicago, el astrónomo Gerard Kuiper le sugirió entrar en el Laboratorio de Investigación Naval, entrando en está institución en 1954 en el programa de radio astronomía, geodesia y propagación del sonido bajo el agua. En el tiempo en que trabajó allí entró en uno de los primeros proyectos de la recién nacida NASA, el Vanguard. Era tal su prestigio que fue invitada a la Unión Soviética para dar una charla en Armenia con motivo de la inauguración de un observatorio. Se convirtió en la primera civil occidental en visitar Armenia tras el inicio de la Guerra Fría.

Roman entró en la NASA en 1959, para convertirse, un año después, en la jefa de astronomía dentro de la agencia. De este modo, era ella quien, a lo largo de los siguientes 21 años, decidía qué misiones debían seguir adelante, y cuáles no, según su valor científico. Ella heredó el programa de los Observatorios Solares Orbitales (OSO) y, durante su tiempo en el cargo, además, autorizó los OAO, los primeros observatorios astronómicos en el espacio, los Pequeños Satélites Astronómicos (tres unidades ya conocidas en está crónica), los experimentos llevados a cabo en las misiones tripuladas Gemini, Apollo, Skylab y Spacelab (en los transbordadores), puso en marcha el Observatorio Aerotransportado Kuiper (antecesor de SOFIA), así como misiones tan pioneras como IRAS, IUE, COBE (que ganaría el premio Nobel) y, sobre todo, el proyecto del LST.

Sí, fue Roman la fuerza viva tras la aprobación y el diseño de lo que acabaría siendo el telescopio Hubble. Fue su empeño el que fundó el Instituto Científico del Telescopio Espacial (que hoy en día gestiona a Hubble y Webb) . Fue ella la que agarró el petate y se marchó a hablar y convencer a los congresistas para que aprobarán el proyecto. Fue ella misma quien se presentó en el mismo Congreso para hablar a favor del proyecto. Fue ella la que empujó a usar sensores CCD en los instrumentos del telescopio. Y ella estuvo en el primer comité de selección científico para el telescopio. Creía hasta tal punto en el proyecto que estaba convencida que está herramienta permitiría dar pasos en la detección y estudio de planetas fuera del sistema solar. Ella propuso, en 1980, usar la coronografía como método mara encontrarlos, y con los instrumentos que se montarían a bordo del gran observatorio se podría conseguir. También que el telescopio sería capaz de detectar planetas más allá de muestro sistema solar mediante astrometría. Spoiler: acertó. Podemos decir que, si ella, el telescopio Hubble no sería el enorme éxito que es hoy. Creemos que su nombre es uno que todo el mundo debería conocer gracias a sus contribuciones. Que un nuevo observatorio lleve su nombre es un primer paso.

Fuente: Goddard Space Flight Center

Ya conocemos a la persona. Es el momento de hacer lo mismo con el observatorio. El Telescopio Espacial Nancy Grace Roman (Lo llamaremos Roman para abreviar) es una verdadera bestia, con 12.7 metros de alto y 4.4 de ancho. Como es la tendencia actual se puede separar en dos partes. Casi todo lo que necesita para funcionar se sitúa en el módulo de servicio, de 4 metros de diámetro y 2 de alto, con forma hexagonal. En verdad, nos gustaría conocerla más íntimamente, pero la NASA ha sido parca en detalles sobre sus tripas. Claro, sabemos que está estabilizado en sus tres ejes usando lo básico para que su orientación sea lo más precisa y estable posible. Sí conocemos dos aspectos de los sistemas se a bordo. Así, cuenta con

Fuente: Goddard Space Flight Center
Scientific Visualization Studio

un sistema de comunicaciones dual, con banda-S como sistema bidireccional (telemetría de ingeniería y comandos desde Tierra) más el canal científico en banda-Ka, que transmitirá datos de sus sensores a una cadencia de hasta 500 Mbps, ya que se esperará que genere, al día, hasta 1.4 Terabytes de datos. Para esto, usará una antena parabólica de 1.7 metros de diámetro y sólamente 10.7 kg. de masa. Casi nada. El otro aspecto conocido está en su generación de energía con seis paneles solares de 2.3 metros, totalizando 3092 células entre todos los segmentos. Cuatro de ellos se desplegarán una vez en el espacio, los otros son fijos. Generarán un total de 4 Kw de electricidad para el telescopio. Ah, y contará con

Fuente: NASA

propulsión propia. El núcleo del telescopio Roman es su telescopio. Y su espejo primario es una de estas donaciones del NRO, siendo una unidad de 2.4 metros de diámetro. Sí, es como el del Telescopio Hubble. Sin embargo, el instalado en Roman tiene una masa de 186 kg, es decir, menos de un cuarto del peso del situado en su antecesor, gracias a las nuevas técnicas de fabricación. El espejo es la pieza central de un sistema reflector topo anagtismático de tres espejos, (f/7.4), y optimizado para observar el espectro electromagnético entre 0.48 y 2.3 micrones, convirtiéndolo en un observatorio infrarrojo. A bordo serán dos los instrumentos. WFI, Instrumento de Campo Ancho, es el principal de la misión. Realizará la mayoría de observaciones de la misión puesto que es el único plenamente dedicado a la ciencia. Un

espejo mete la luz en el instrumento, atravesando el Ensamblaje de Rueda de Elementos hasta llegar, en un ángulo de 90°, al plano focal, una espectacular unidad que dispone de dieciocho sensores de mercurio-cadmio-telurio. Semejantes a los usados en el telescopio Webb, el formato de cada unidad es de 4096 x 4096 pixels, pixels más pequeños que en las unidades de las que deriva, es decir, más sensibles, más datos. Contará en total con 300 megapixels, creando así imágenes descomunales. Además, el plano focal está sobre un sistema

de seis patas que servirá para el óptimo enfoque del telescopio. A esto hay que unirle la funcionalidad de la rueda de elementos. Dispone de once posiciones, ocho para filtros de imágenes, uno ocupado por un grisma (mezcla de prisma y rejilla de difracción) para espectroscopia sin abertura de alta dispersión (1-1.93 micrones), un prisma para espectroscopia sin abertura de baja dispersión (0.75-1.80 micrones) y una posición oscura para calibración. Es decir, con WFI, Roman hará estudios de imágenes y espectroscopia de amplias franjas del cosmos y, al carecer de estrechas aberturas para espectroscopia, los estudios serán de campo integral, por lo que sacará un espectro de cada pixel del plano focal. Impresionante. El segundo instrumento es más una prueba tecnológica. Se llama, simplemente, Coronógrafo. Es cierto que hay instrumentos en Hubble y

Webb que disponen de máscaras para tapar la luz estelar y así estudiar los alrededores de una estrella. El coronógrafo de Roman lleva esto más allá. Cuenta con un total de ocho espejos parabólicos convencionales descentrados, dos espejos "flexibles", un espejo de dirección rápida como entrada, un sistema de control de enfoque más diversos juegos de máscaras y filtros, así como un nuevo tipo de sensor denominado CCD de multiplicación de electrones, que observarán entre 575 y 825 nanómetros. Cuenta con tres modos de observación: imagen directa estrecha, imagen directa ancha, y espectroscopia. La idea es conseguir una cantidad de supresión de luz estelar muy superior a la que se consigue con los sistemas actuales, lo que permitiría al instrumento obtener imágenes directas de un planeta extrasolar y, con la suficiente resolución, hacer estudios, ya de su atmósfera, ya incluso de su superficie. Es un experimento tecnológico y, como tal, su prioridad es más baja. Si demuestra operaciones exitosas, puede ser la clave para el probable Observatorio de Mundos Habitables. Una vez repostada y lista, Roman declarará una masa de unos 8000 kg. Casi nada.

Para el lanzamiento de semejante peso pesado no se han andado con chiquitas. Para nada, se ha escogido el más potente del catálogo: ni más ni menos que el Falcon Heavy. Sí, el Falcon 9 pero con dos núcleos adicionales, lo que eleva el número de motores a veintisiete. El suelo temblará cuando el cohete ruja a plena potencia el día 30.

En los primeros días de la propuesta, del proyecto, hubo graves dudas sobre en qué lugar del espacio ubicar a Roman. Unos eran partidarios de situarla en órbita geoestacionaria, o en su defecto, geosincrónica. ¿Por qué? La idea que tenían era la de mantener el telescopio en el espacio, más o menos como se hizo con el telescopio Hubble. Para Roman, el mantenimiento se hubiera hecho con medios robóticos, si bien se habló de mandar naves como Orion con astronautas para hacer la tarea. Otros sugirieron una alternativa más económica: el

Fuente: Goddard Space Flight Center
Scientific Visualization Studio

punto de Lagrange L2, ya un poco ocupado. Con el observatorio allí, se eliminaba cualquier posibilidad de mantenimiento, haciendo el proyecto más económico. Como el dinero no abunda, la decisión quedó tomada: acompañará al telescopio Webb y a Euclid en torno al L2. Como la experiencia ha demostrado, ir hasta allí no es algo inmediato. Son unos cuatro meses de viaje, dependiendo de la trayectoria. ¿Qué hacer en este tiempo, cruzarse de brazos? En absoluto. Horas después de separarse de la etapa superior, los paneles solares se desplegarán y, dos días después del despegue la antena de alta ganancia se desplegará, e inmediatamente después la cubierta que cierra la abertura del telescopio (en realidad, una manta multicapa que se tensará una vez en

Fuente: Goddard Space Flight Center
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posición vertical) se desplegará. Ese será el punto de partida del período de pruebas y calibración de todos los subsistemas de a bordo, incluyendo los instrumentos. En este tiempo las primeras pruebas tecnológicas con el coronógrafo comenzarán. No esperéis las primeras imágenes en los primeros días; para la primera luz de Roman habrá que esperar unos tres meses. Sólo después de esto, llegará la inserción orbital en el L2, usando su propulsión. Tras más pruebas, y una reducción de temperatura en el telescopio y los instrumentos (es enteramente pasiva en este sentido) entrará en operaciones.

Fuente: NASA

La misión de Roman se enfoca en los problemas de la cosmología centrados en la materia y la energía oscuras (para una explicación sobre esto, por favor, leed aquí). Como es algo que no se puede ver directamente sino percibir sus efectos, lo que hará será algo análogo a lo que hace Euclid en este mismo momento: observar grandes franjas del cielo de una sola vez. Hemos hablado de que tendrá la calidad de imagen del telescopio Hubble, con un campo de visión mayor. ¿Hasta qué punto? El de Roman es, en esencia, doscientas veces mayor. Mientras que su antecesor necesita cientos de imágenes para enseñarnos la galaxia de Andrómeda, o M31, Roman

Fuente: NASA/GSFC/
ASU/Lunar
Reconnaissance Orbiter;
Background Sky Image
Credit: Digitalized
Sky Survey and R. Gendler

apenas usará cuatro. Pero también dedicará su potencia de observación para la hercúlea tarea de localizar planetas extrasolares usando uno de los métodos más complejos llamado Microlensing. ¿En qué consiste? Imaginad que observáis una estrella situada bastante lejos de nosotros. De repente, otra estrella, más cercana, aparece delante. El efecto de este cuerpo masivo más cercano es el de una lupa, ampliando, por efecto de su gravedad, la luz de la más lejana. Si, en ese preciso momento, un planeta que órbita esa estrella lejana pasa justo por delante, la señal del tránsito será más clara. Ya se han descubierto exoplanetas con este método, pero que es una oportunidad única. Ya hace unos años se hizo una demostración con el telescopio Kepler, en su misión extendida K2, cuyos resultados completos ignoramos. Además de este método, podrá detectarlos usando el más habitual método del tránsito, y usando la imagen directa con el coronógrafo. Por último, el programa de observación permitirá tocar otros temas, como la astrometría (ahora que la misión Gaia ha terminado), eventos transitorios, espectroscopia general para el estudio del espacio entre galaxias, y las propias galaxias... Un programa de amplio espectro.

Su misión durará cinco años, de los cuales el setenta y cinco por ciento del tiempo será la exploración de campo ancho de amplias franjas de la bóveda celeste. Estás exploraciones se dividen en fases. La primera se centrará en regiones de altas latitudes cósmicas, norte y sur. Estás exploraciones se dedicarán a estudios de materia y energía oscura, al tiempo que indagará en problemas de evolución galáctica, formación estelar, estudiará los vacíos cósmicos, la materia entre galaxias, y otros. La segunda fase seguirá centrada en las altas latitudes, pero centrada en el dominio

temporal, es decir, cambios en las galaxias, detección de estallidos estelares, como los GRB's o las supernovas (hasta cien mil se calcula que podría detectar), y otros eventos transitorios. Y la tercera fase estará centrada también en el dominio temporal, pero en el centro galáctico. Es en está etapa de la misión en la que buscará exoplanetas mediante el Microlensing, tanto alrededor de estrellas como vagando por la galaxia en solitario, los llamados planetas "rebeldes". También detectará enanas marrones, enanas blancas, estrellas de neutrones, practicará astrosismología... Sus

imágenes nos mostrarán una región a rebosar de estrellas, nebulosas, cúmulos estelares, criaderos... Sus datos, además, de todas estas fases, se usarán para un programa de astrofísica general: detección de novas, obtención de imágenes de campos profundos (como los telescopios Hubble, Chandra o XMM-Newton), estudios de formación estelar, y cualquier otra idea que tengan los astrónomos.

Con los telescopios Hubble y Webb, conseguimos los detalles precisos y preciosos de los fenómenos del cosmos. Con Roman, conseguiremos la gran imagen, que será la fuente de nuevas maravillas que explorar más profundamente. En uno de esos raros casos, una misión prevista para la primavera del 2027 ha acabado adelantándose nueve meses. ¿Las prisas habrán merecido la pena? El tiempo, y sus imágenes, lo dirán.