Los astrónomos exploramos el Universo capturando y analizando la radiación que llega a la Tierra. Esta radiación, principalmente de luz o de fotones, experimenta un largo viaje a través del espacio, la atmósfera, el telescopio, los instrumentos y los detectores. La información contenida en sus cuatros dominios (espacial, temporal, energético y polarimétrico) sufre las consecuencias de la propagación de la luz en diferentes medios, y puede ser modificada, extinguida o dispersada. Y es tan solo una pequeña fracción de la radiación emitida con la que construimos nuestro conocimiento del Universo.
Veamos con más detalle ese viaje de la luz: los astrónomos no podemos influir en nada durante su paso por el espacio exterior, quizás quitarle de en medio algunos obstáculos observando, por ejemplo, en diferentes longitudes de onda (el infrarrojo, por ejemplo, tiene mayor poder de penetración en nubes de gas y polvo que la radiación visible, permitiéndonos ver a través de ellas), pero no mucho más; podemos hacer mucho, en cambio, en su parte final, poniendo la tecnología al servicio de nuestra ciencia e incrementando el poder de detección de nuestros telescopios, instrumentos y detectores; la atmósfera, sin embargo, es a la vez nuestro gran dolor de cabeza pero también nuestra esperanza de las últimas décadas.
Los astrónomos simplificamos la transmisión espectral de la atmósfera definiendo lo que llamamos "ventanas", o rangos de longitud de onda para los cuales la atmósfera es transparente y que por lo tanto, si nos asomamos a ellas, podemos ver los objetos celestes. A su vez, dentro de las ventanas definimos "bandas", o rangos de longitudes de onda dentro de las ventanas. Para observar en esas bandas utilizamos filtros en nuestros instrumentos capaces de aislar el rango de longitudes de onda correspondientes. La definición de una banda concreta obedece en general, a combinar la transmisión óptima de la atmósfera y la información astrofísica que nos aporta. Las bandas pueden ser anchas o estrechas.
La primera ventana que el hombre utilizó fue obviamente la visible, ya que el primer detector fue precisamente el ojo humano. Con el descubrimiento de las ondas de radio y el desarrollo de los radiotelescopios a lo largo del siglo XX, abrimos la ventana del radio.
Las ventanas visible y de radio eran las únicas utilizadas en astronomía hasta que con el desarrollo de los satélites artificiales y de la astronomía espacial, pudimos atravesar la pared atmosférica y observar en las ventanas de las altas energías y del infrarrojo. Obviamente, abrir estas nuevas ventanas para la astronomía observacional requirió, y sigue requiriendo, enormes esfuerzos tecnológicos y financieros, no exentos de riesgos, que disparan los costes.
El infrarrojo es aquella región del espectro electromagnético cuyas longitudes de onda son mayores que las del rango visible. Casualmente fue el astrónomo William Herschel, de quien toma su nombre el telescopio de 4.2 metros del Observatorio del Roque de los Muchachos (ORM), quien descubrió este tipo de radiación en 1800. El infrarrojo abarca un rango de longitudes de onda muy amplio y en astronomía suele dividirse en tres zonas: el infrarrojo cercano, medio y lejano.
Los astrónomos no nos ponemos de acuerdo cuando establecemos los límites exactos de cada una de esas regiones, pero digamos que nuestro infrarrojo es, aproximadamente, como sigue: dentro de la ventana del visible, tenemos una banda de infrarrojo que va desde los 0,7 hasta 1 micra (una micra es un micrómetro o millonésima parte del metro); ya en la ventana infrarroja propiamente dicha tenemos que entre 1 y 5-7.5 micras está el infrarrojo cercano; entre 5-7.5 y 25-40 micras, el infrarrojo medio, y entre 25-40 y 200-350 micras, el infrarrojo lejano.
La atmósfera es opaca al infrarrojo lejano, y es de transparencia variable dependiendo de la longitud de onda, en el infrarrojo cercano y medio. Esta opacidad es compensada, en parte, por el hecho de que en el infrarrojo la calidad de imagen proporcionada por la atmósfera es mejor. En el infrarrojo cercano y medio definimos unas bandas que se ajustan bastante bien a esos tramos de longitudes de onda para los cuales la atmósfera es casi transparente. Esas bandas van desde la J (1.1-1.4 micras) hasta la Z (28-40 micras), pasando por la H, la K, la L, la M, la N y la Q.
Mientras que la observación del infrarrojo cercano desde la superficie terrestre ha experimentado un gran desarrollo en las últimas dos décadas (son varios los telescopios del ORM que cuentan ya con esta tecnología de forma regular), es sin embargo en el infrarrojo medio donde las condiciones de observación y la eficiencia de los telescopios, los instrumentos y los detectores son muy pobres. Como consecuencia, el infrarrojo medio ha sido hasta hace poco el dominio observacional de algunos telescopios espaciales como IRAS, ISO o, más recientemente, el exitoso Spitzer (en la actualidad existe incluso un telescopio a bordo de un Boeing 747 llamado SOFIA). En la última década, sin embargo, todo han sido buenas noticias para la observación terrestre del infrarrojo medio, y más concretamente, para La Palma.
En el infrarrojo medio la opacidad de la atmósfera es causada principalmente por la molécula del agua, extinguiendo la luz de los objetos celestes que queremos observar. Pero además debemos tener en cuenta que a estas longitudes de onda la radiación térmica (o sea, los fotones producidos por un cuerpo como consecuencia de su temperatura) es importante, y aparece en las imágenes como un fondo brillante o ruido fotónico, que enmascara la señal de los objetos a observar. Este fondo puede sustraerse de las imágenes con la aplicación de algunos remedios observacionales que consumen una cantidad de tiempo considerable. Si queremos observar en el infrarrojo medio necesitamos un sitio cuya opacidad y brillo térmico del cielo sean los menores posibles.
La Palma es un buen sitio para la astronomía infrarroja. En promedio el contenido de vapor de agua en alturas superiores a la del ORM es relativamente bajo, como lo han demostrado estudios recientes. Y fue precisamente esto lo que animó a que Gran Telescopio Canarias (GTC) fuera diseñado también para la observación en el infrarrojo medio y tuviera ya en su grupo de instrumentos de primera luz uno optimizado para ello: CanariCam. Diseñado y construido por la Universidad de Florida, se encuentra en la actualidad en fase de puesta a punto en el telescopio.
GTC y CanariCam se enfrentan al reto de no degradar las ya de por sí difíciles condiciones de observación, reduciendo al máximo el ruido térmico. A estas longitudes de onda incluso el calor corporal se traduce en radiación fotónica de la misma longitud de onda que detecta CanariCam. El entorno observacional debe ser, por lo tanto, lo más frío posible: el interior de la cúpula está refrigerado y el propio instrumento y el detector operan en condiciones criogénicas, alcanzando temperaturas en torno a los 9 grados Kelvin (unos 264 grados Celsius bajo cero) gracias a un sistema de refrigeración eficiente basado en el helio. A todo ello hay que añadir que el detector de CanariCam utiliza los últimos avances en este campo.
Aunque otros instrumentos como SIRCA en el telescopio NOT ya han realizado observaciones en el infrarrojo medio, lo cierto es que CanariCam será el primero del ORM que lo hará de forma regular.
En el infrarrojo medio podemos estudiar objetos celestes a bajas temperaturas, tan bajas que no son capaces de ionizar o excitar a los átomos de su alrededor, y por lo tanto, difícilmente detectables a otras longitudes de onda. El zoológico de objetos celestes que emiten radiación infrarroja media incluye los sistemas planetarios en formación y los objetos subestelares pequeños y fríos, campos éstos de la astrofísica de los que todavía sabemos poco y que son de gran importancia para entender cómo se originan los planetas.
Todos estamos impacientes por ver CanariCam produciendo los primeros resultados científicos. Deseamos desde aquí a todos los astrónomos, ingenieros y operarios de GTC y CanariCam la mayor de las suertes.
Para saber más:
Astronomía infrarroja: http://es.wikipedia.org/wiki/Astronom%C3%ADa_infrarroja.
Spitzer, satellite de la NASA para la observación en el infrarrojo medio: http://legacy.spitzer.caltech.edu/espanol/sobre/index.shtml.
Nota de prensa "El instrumento CanariCam ve su primera luz en el Gran Telescopio CANARIAS": http://www.iac.es/divulgacion.php?op1=16&id=614.
Sitio web de CanariCam: http://www.gtc.iac.es/en/pages/instrumentation/canaricam.php.
Imágenes obtenidas por SIRCA (Stockholm observatory IR Camera) y el telescopio NOT: http://ttt.astro.su.se/~magnusg/SIRCA.html.