Astrofísica, Astropartículas y Cosmología

• Quizá podíamos empezar hablando de Marte y esos viajes proyectados, ¿qué resultados podemos esperar de todo eso?
• ¿Y el HUBBLE? ¿cuál es la importancia del HUBBLE dentro de la historia de los telescopios?
• ¿Porqué un telescopio alejado de la Tierra?
• ¿Por qué se quiere “jubilar” ahora, después una importante inversión técnica y económica que corrigió una óptica defectuosa?
• Has mencionado los telescopios de tierra, ¿qué pueden aportar con una competencia como la del HUBBLE?
• ¿Es imprescindible “mirar” a través de estos medios para avanzar en el conocimiento del Universo? ¿no son suficiente los modelos teóricos? ¿o se mira para confirmar precisamente esos modelos?
• Dentro de vuestro departamento, ¿cómo os dividís el trabajo de investigación?
• He oído hablar alguna vez de ese asunto pero o me lo han explicado mal o no lo he entendido....
• Me imagino que para un científico esta labor de detective debe ser apasionante....
• No somos nadie....

Quizá podíamos empezar hablando de Marte y esos viajes proyectados, ¿qué resultados podemos esperar de todo eso?

Ni los astrónomos ni, incluso, geólogos planetarios, esperan grandes cosas de un viaje a Marte. Los viajes del Apolo a la Luna tampoco aportaron grandes cosas, desde el punto de vista científico. Trajeron algunas piedras que venían a confirmar lo que ya los satélites habían detectado.

No obstante, el interés político y social hacia estos campos repercute favorablemente en nuestra labor. La Astrofísica es hoy un área prioritaria en España, en los planes de I+D, aunque eso sí, no por el interés en viajar a Marte...

¿Y el HUBBLE? ¿cuál es la importancia del HUBBLE dentro de la historia de los telescopios?

La importancia del HUBBLE comienza porque es el único telescopio capaz de observar en el rango óptico que hay en el espacio. Existen, no obstante, otros telescopios, de menor tamaño, que detectan la luz en otras frecuencias, como son los telescopios de rayos X, infrarrojos, radiotelescopios (telescopios que detectan ondas de radio)), etc.

El HUBBLE ha representado un desarrollo enorme para la Astrofísica porque ha permitido la observación del “espacio profundo”, de objetos cuya señal es muy débil y que, por lo tanto, están muy alejados en el tiempo, lo que ha hecho posible conocer mucho de la Hª del Universo.

¿Porqué un telescopio alejado de la Tierra?

La ventaja de situar un telescopio en el espacio es que allí no existen las turbulencias de la atmósfera por lo que de partida se logra una mayor resolución que el mismo telescopio instalado en tierra. Por otra parte, el HUBBLE no es muy grande, mide 2m., cuando en tierra ya existen telescopios de 10 m de diámetro, como el que tenemos instalado en la isla de la Palma, y hoy se planea construir futuros telescopios de 30 m y más.

¿Por qué se quiere “jubilar” ahora, después una importante inversión técnica y económica que corrigió una óptica defectuosa?

Ya sabéis que la historia del HUBBLE ha sido bastante accidentada: no se hicieron las pruebas suficientes y nació “miope”. Hubo que ponerle unas “gafas”. Luego, en sucesivas intervenciones se ha ido mejorando: cambiando giróscopos (básicos para la orientación), instalando detectores mucho más sensibles, etc.,. Sin embargo, desde la explosión del Columbia, las futuras misiones de mantenimiento se han suprimido por lo que su jubilación forzosa está muy próxima y la NASA se dedicará a otras cosas. Proyectos no parece que le falten. Por ejemplo, se está trabajando ya en el sustituto del Hubble, el nuevo telescopio espacial llamado James Webb Space Telescope (JWST) que tendrá un espejo de más de 6,5 metros de diámetro (el tamaño de una cancha de tenis) y que se espera que sea lanzado en 2014. Comparado con el HUBBLE, el JWST será más de 10 veces más potente y podrá resolver objetos mucho más débiles, y por tanto, mucho más lejanos. Una vez en órbita supondrá una nueva revolución en la Astrofísica, igual que ocurrió con el HUBBLE.

Has mencionado los telescopios de tierra, ¿qué pueden aportar con una competencia como la del HUBBLE?

Bien, el desarrollo de los telescopios en tierra también ha sido muy importante en los últimos años. En la actualidad de lo que se trata es de combinar varios al mismo tiempo (algo parecido a cuando utilizamos ordenadores “en paralelo”) unidos, en este caso, por fibra óptica. El objetivo es aumentar la capacidad colectora (el nº de fotones por unidad de superficie, que depende del tamaño del espejo).

En teoría, cuanto más grande es el espejo del telescopio, mejor. No obstante, es casi imposible lograr un espejo de una sola pieza de más de 8 m debido a las deformaciones que provoca en la lente la fuerza de la gravedad (al orientar el telescopio y cambiar de posición, la lente, pesadísima, se curva). Necesariamente, hay que dividir el cristal en muchos trozos pequeños.

Estos telescopios de tierra, aunque tienen una fuerza colectora muchísimo mayor que la del HUBBLE, tienen las limitaciones de la atmósfera mencionadas antes: hay ciertos tipos de ondas de luz, ultravioleta, por ejemplo, que son absorbidas por la atmósfera y que, por lo tanto, resultan indetectables.

En la UAM, para no ser menos, tenemos nuestro propio observatorio que es un laboratorio de enseñanza donde hay un telescopio grande (0,5 m) y otros pequeños que se instalan en la terraza del observatorio y que se conectan a una serie de ordenadores, tal como se hace en la astronomía profesional. Esto se completa con una serie de cámaras digitales (CCD). Puedo afirmar que los alumnos disfrutan muchísimo cuando suben allí arriba.

¿Es imprescindible “mirar” a través de estos medios para avanzar en el conocimiento del Universo? ¿No son suficiente los modelos teóricos? ¿O se mira para confirmar precisamente esos modelos?

Por todo lo dicho antes, yo diría que el gran avance de los últimos años experimentado por la Cosmología proviene precisamente del enorme desarrollo de los sistemas de observación que nos permiten retrotraernos en el tiempo hasta los primeros instantes tras el Big Bang.

¡¿?!.....

A ver. Los modelos teóricos del Big Bang arrancan con la Teoría de la Relatividad de Einstein (1918), que es una interpretación muy general de la atracción gravitacional descrita por Newton. Estos modelos son unos entre los varios posibles que se derivan de esta teoría. Presuponen un momento de gran concentración de energía en un punto, con una densidad infinita, a partir del cual, el Universo empezó a expandirse. Como inciso, es curioso señalar que el propio Einstein no creía al principio para nada en la validez de estos modelos evolutivos del Universo y que incluso propuso otros modelos alternativos, igualmente válidos, desde el punto de vista matemático que los modelos de Big Bang.

Pues bien, a partir del desarrollo de las tecnologías en observación astronómica que mencionábamos antes, especialmente desde mediados de los años 60, pudo romperse un impas que no permitía considerar como cierta o falsa ninguno de los modelos cosmológicos propuestos, la de un Universo expansivo donde toda la materia se crea a un T=0 o, por el contrario, la de un Universo, donde la materia se está formando eternamente a medida que las galaxias se alejan mutuamente (Modelo Estacionario). Sin embargo, con el descubrimiento casual de una señal de radio que parece venir de cualquier punto del espacio, lo que se denomina Radiación de Fondo, se posee una primera evidencia experimental directa de una predicción de los modelos Big Bang.

Dentro de vuestro departamento, ¿cómo os dividís el trabajo de investigación?

Muy fácil: la Astrofísica y Cosmología cubren todo lo que va desde la Estratosfera hacia arriba. Hay una serie de escalas o divisiones: si uno investiga en el Sistema Solar, hablamos de Física Planetaria; si la investigación va más allá del Sistema Solar pero dentro de nuestra Galaxia, se trataría de Física Estelar o Galáctica; si el objeto de estudio está fuera de nuestra Galaxia, estaremos hablando de Física Extragaláctica; finalmente, si a uno le interesa mirar más allá, a las galaxias en su conjunto, más allá en el tiempo y en el espacio, entonces estaremos hablando de Cosmología, Física Teórica, etc.

En nuestro Dpto. cubrimos todo este rango. Aquí hay profesores trabajando en formación estelar dentro de nuestra Galaxia y en la detección de planetas en otras estrellas, que es algo muy reciente y que suscita mucho interés. Otros planetas enormes, tipo Júpiter, ya se han detectado pero lo realmente interesante, el salto verdaderamente cualitativo sería encontrar algún planeta como la Tierra. Gracias al desarrollo de nuevas técnicas de observación, este objetivo será alcanzado dentro de unos años.

Hay también profesores que se dedica a estudiar sistemas extragalácticos y otros investigando en la formación de galaxias y su relación con la Cosmología, a un nivel más teórico. En este caso, nuestro objeto de atención es lo que se llama “materia oscura” de la que supuestamente está formado el Universo en un 90% pero que, sin embargo, es invisible porque no interacciona con la luz. Hay, no obstante, una serie de evidencias científicas que conducen a pensar que esa materia efectivamente existe pero lo cierto es que desconocemos totalmente su posible composición o naturaleza.

He oído hablar alguna vez de ese asunto pero o me lo han explicado mal o no lo he entendido.....

Para “pillar in fraganti” a esa materia utilizamos un método de trabajo basado en la búsqueda de interacción entre esa materia y otras pertenecientes al mundo "visible". Toda materia, por el hecho de serlo, tiene interacción gravitatoria, atrae a otra materia ya sea visible u obscura, e incluso a la luz. Una de las evidencias de la presencia de esta materia exótica, es el conocido como Efecto Lente. Todos sabemos que la luz, cuando pasa de un medio menos denso a otro más denso, se curva. Pues bien, cuando apuntamos un telescopio hacia lo que se conoce como cúmulo de galaxias, que son gigantescas aglomeraciones de materia, en algunas afortunadas ocasiones, nos encontramos con imágenes de galaxias más lejanas que están distorsionadas por la presencia de la materia de ese cúmulo. La luz de estas galaxias lejanas ha sufrido un efecto similar al que ocurre cuando ponemos una lupa. Las vemos en forma de arco, unas manchas curvas que aparecen en muchas fotos del HUBBLE y que asemejan a la difracción que sufre la luz al pasar de un medio a otro. Sin embargo, la explicación a este fenómeno no tiene nada que ver con índices de refracción. Es una predicción también de la Relatividad General de Einstein. Lo que ha ocurrido es que la presencia de una gran concentración de masa ha distorsionado el espacio alrededor de ella, y por tanto, la visión de la luz procedente de cualquier objeto que haya detrás de esa zona. De ahí el nombre de "Lente Gravitacional" para referirse a este fenómeno. Pues bien, aplicando la teoría de Einstein, uno puede calcular la cantidad de materia que hace falta para producir las distorsiones, arcos de luz, que el HUBBLE ha detectado en algunos cúmulos de galaxias. El resultado es sorprendente. Es más de 10 veces mayor que la suma de todas las galaxias que componen ese cúmulo. Uno podría pensar que estamos cometiendo algún error al estimar este valor, sin embargo, existen otras muchas observaciones, por ejemplo mediante los telescopios de rayos X de los que hablé antes, que son totalmente independientes de esta que acabo de contar y que también nos predicen que debe existir al menos 10 veces más materia en el Universo de la que podemos ver. Estas evidencias de la existencia de esta materia exótica han provocado una carrera científica para conseguir detectarla de forma experimental y confirmar la naturaleza de las partículas de que está compuesta. Existen actualmente una gran cantidad de experimentos de Astropartículas, una nueva especialidad que combina la Física de Partículas con la Astrofísica, para intentar detectarla. Experimentos como DAMA-LIBRA, Xenon, CDMS, intentan detectar las partículas de la materia oscura que atraviesan los detectores situados en túneles bajo tierra. Otros, como el satélite Fermi intenta detectar la materia oscura a partir de los rayos gamma que se producirían como producto del choque de partículas en el centro de nuestra galaxias, o en galaxias cercanas. Además, está también el famoso experimento LHC en el CERN en donde también podrían ser detectadas las partículas que componen la materia oscura. Yo espero que en los próximos 5 o 6 años estos experimentos nos puedan dar una respuesta a la pregunta sobre la naturaleza de esa extraña forma de materia que parece que domina la dinámica del Universo.

Me imagino que para un científico esta labor de detective debe ser apasionante...

Bueno es que recientemente se ha descubierto algo que viene a complicar, o a hacer más interesante, según se vea, el escenario... Se trata del tema de la Energía Oscura, una energía extraña que algunos califican como la "quinta esencia", en alusión a los antiguos alquimistas. Esta energía se opone a la gravedad generada por la Materia y al hasta hace poco considerado inevitable proceso de ralentización en la expansión del Universo, como consecuencia de las fuerzas de atracción entre los cuerpos. De hecho, esta Energía operaría de forma contraria, no solo no frenando si no acelerando la expansión del Universo. Igual que ocurre con la Materia Oscura, la presencia de esta extraña forma de energía es algo que se deriva de las observaciones y que hoy en día no tiene una clara explicación teórica. Es pues, otro reto científico que tenemos que resolver.

No somos nadie...

Tranquilo. Todo esto tan aparentemente lejano y sofisticado tiene, sin embargo, aplicaciones prácticas muy inmediatas. Por ej., el chip de las cámaras de vídeo o de fotografía digital (el famoso CCD), es una aplicación directa de las investigaciones de los astrónomos en la búsqueda de un soporte más fiable que la película fotográfica, un soporte de información lineal que pudiera ser leído por un ordenador.

Otra aplicación, informática en este caso, se deriva de la necesidad de analizar la información sobre el Universo. Información que combina varias dimensiones y que resulta tan compleja que, necesariamente, precisa de herramientas de cálculo potentísimas y que ha dado lugar a la super computación. Mucha de la tecnología que hay en los modernos ordenadores portátiles y smartphones fue desarrollada hace algunos años para poder afrontar los desafíos de cálculo que suponían resolver ciertos problemas físicos, entre ellos, los relacionados con la Astrofísica y Cosmología Computacional.

En definitiva, yo diría que dar respuesta a nuestras preguntas representa para la industria grandes retos que, a su vez, movilizan potentes departamentos de desarrollo. La investigación en Ciencia Básica no es dinero tirado, como pueden pensar algunos. Un país que no invierta en Ciencia Básica es un país sin futuro.