Reflejar el universo: la construcción de los telescopios más grandes del mundo

En 1608, un fabricante de gafas germano-holandés llamado Hans Lippershey presentó la patente para un pequeño dispositivo que usaba lentes para enfocar la luz y producir una ampliación de objetos distantes: el diseño más antiguo conocido de un telescopio. Poco después, como bien se sabe, Galileo construyó su propio telescopio y fue el primero en usarlo para observaciones astronómicas. Cuatrocientos años después, los telescopios siguen siendo vitales para la astronomía y han evolucionado, desde pequeños instrumentos de mano hasta gigantescos dispositivos controlados por computadora.

Hoy en día, la mayoría de los telescopios más grandes del mundo ópticos e infrarrojos, muchos de ellos construidos y operados por el Observatorio Europeo Austral^w1 (ESO, por su sigla en inglés), usan espejos en lugar de lentes para colectar y enfocar la luz. Cuanto más grande es el espejo, más luz se puede reunir, y esto permite a los astrónomos ver objetos celestes más débiles, que a menudo están más alejados, con mayor detalle. Aunque los espejos grandes son más fáciles de producir que las lentes grandes, la producción de telescopios astronómicos modernos sigue siendo un verdadero desafío.

Desde Newton hasta hoy

Isaac Newton construyó el primer telescopio reflector exitoso (que usa espejos en lugar de lentes para enfocar la luz) en 1668. El diseño básico newtoniano usa un espejo primario cóncavo (el primer espejo que recibe la luz de las estrellas cuando entra al telescopio) y un espejo plano secundario, que se coloca sobre el espejo primario y está inclinado en diagonal para reflejar y dirigir la luz a un ocular. El mismo principio se usa hoy en muchos telescopios profesionales y aficionados. En los telescopios modernos, los espejos permiten que la luz se dirija a diferentes cámaras o detectores en lugar de al ocular y además posibilita que los diseños de los telescopios sean más compactos.

El primer telescopio reflector de Newton utilizó un espejo primario de 3,3 cm de diámetro. Ahora, los espejos telescópicos reflectores más grandes del mundo tienen aproximadamente 8 m de diámetro. Por ejemplo, el Telescopio Muy Grande (VLT, por su sigla en inglés) del ESO en Chile (Sudamérica) consta de cuatro telescopios, cada uno con un espejo primario de un diámetro de 8,2 m.

La construcción de los telescopios

El material preferido para la mayoría de los espejos de telescopios profesionales es el vidrio (como el vidrio de borosilicato, que se utiliza para los utensilios de cocina «Pyrex») o un material compuesto especial de vidrio y cerámica. Dichos materiales se pueden esmerilar y pulir con la forma exacta para que produzcan una buena imagen. Además, no cambian de forma ni tamaño debido a las fluctuaciones de la temperatura. Esto es especialmente importante porque muchos telescopios están ubicados en lo alto de las montañas o en el desierto, donde las temperaturas varían significativamente entre el día y la noche.

Para enfocar la mayor cantidad posible de la tenue luz estelar, la superficie de los espejos primarios debe ser altamente reflectante. La reflectividad se crea utilizando un revestimiento extremadamente delgado de un material que refleja la luz, que depende de la longitud de onda en la que funciona el telescopio. Por ejemplo, la plata o el aluminio a menudo se usan en espejos de telescopios ópticos y de infrarrojo cercano.

Más grande y mejor

El tamaño de los espejos telescópicos ha aumentado considerablemente en los últimos 50 años, pero los astrónomos siempre quieren hacer todo en grande. Pero hay un problema al construir telescopios más grandes: un espejo mucho más grande que 8 m sería increíblemente difícil de esmerilar y pulir. Una solución puede ser construir espejos segmentados: secciones individuales, a menudo hexagonales, que juntas forman una gran área de captación de luz.

En la actualidad, el espejo segmentado más grande del mundo, el Gran Telescopio Canarias (en las Islas Canarias, España) mide 10,4 m de ancho y está compuesto por 36 segmentos. Pero en 2024 lo reemplazará el Telescopio Extremadamente Grande (ELT, por su sigla en inglés), que está en construcción en el Desierto de Atacama en Chile. El espejo primario, que mide 39 m de diámetro, estará formado por 798 segmentos, cada uno con un área de alrededor de 1,4 m². Este enorme telescopio que operará el ESO observará el Universo en longitudes de onda ópticas y de infrarrojo cercano.

Algunos telescopios que se están construyendo, como el Telescopio de Treinta Metros en Hawái, han adoptado un enfoque similar: utilizan una gran cantidad de pequeños segmentos. Otros, como el Telescopio Gigante de Magallanes en Chile, comprenderán una menor cantidad de segmentos, pero más grandes.

Una superficie lisa

Para producir imágenes nítidas y mediciones precisas, la superficie de los espejos debe ser perfectamente lisa. Para el ELT, cada segmento individual se pulirá con una precisión que llegará a los 15 nanómetros. Esto significa que si un segmento fuera del tamaño de Europa, cualquier protuberancia restante en la superficie sería del tamaño de una mariquita.

A medida que se aumenta el tamaño de los espejos (individuales o segmentados), estos comienzan a deformarse debido a su propio peso por el efecto de la gravedad, lo que reduce su uniformidad. Para compensar esto, el VLT emplea una técnica llamada óptica activa, que utiliza 150 actuadores para ajustar el espejo y realiza correcciones aproximadamente cada 30 segundos. Para el ELT, los segmentos individuales no solo deben ser extremadamente lisos, además deben estar perfectamente alineados con los segmentos colindantes para lograr el mismo efecto que un espejo único. El ELT tendrá un total de 4524 sensores en los bordes de los segmentos del espejo; estos brindarán información sobre sus posiciones en forma constante, lo que permitirá que cada segmento se ajuste con precisión usando 2394 actuadores. Este sistema de óptica activa hará que la forma general de la superficie del espejo primario sea precisa a un nivel de aproximadamente 50 nanómetros, una milésima parte del grosor de un cabello humano.

El mantenimiento de la reflectividad

Para garantizar que la superficie de los espejos permanezca lo más reflectante posible, estos deben estar protegidos del polvo durante vientos fuertes. Cuando el polvo se acumula en los espejos, puede reducir la reflectividad en un pequeño porcentaje, pero cada fotón es valioso para producir imágenes de alta calidad. El polvo también dispersa la luz y reduce el contraste en las imágenes. Durante el día, los espejos se mantienen cubiertos y durante la noche, el telescopio se inclina antes de que se abra la cúpula, para que ningún objeto del techo (como polvo o excremento de aves) caiga sobre la superficie de los espejos.

Con el tiempo, los recubrimientos reflectantes se deterioran, por lo que los espejos se deben recubrir en forma regular. Los espejos primarios del VLT, por ejemplo, deben transportarse desde la plataforma de observación a la base cada 18 meses aproximadamente para que se recubran. Es particularmente difícil manipular la parte más costosa y delicada del telescopio, por lo que el espejo se transporta a una velocidad de solo 5 km/h. Todo el proceso (desde que se quita el espejo hasta que se reemplaza) toma alrededor de una semana.

En el espejo primario del ELT, cada uno de los 798 segmentos también debe recubrirse cada 18 meses. La forma más eficiente de hacerlo es quitar dos o tres segmentos cada día, volver a recubrirlos y colocarlos de nuevo. El telescopio aún puede operar eficientemente con un par de segmentos faltantes, lo que permite un tiempo de operación máximo. En cambio, cuando alguno de los espejos del VLT debe recubrirse, el telescopio está fuera de servicio.

La exploración del universo

Diseñar, construir y operar estos telescopios a gran escala no es una tarea fácil. Pero las fascinantes posibilidades, como descubrir planetas similares a la Tierra, medir las propiedades de las primeras estrellas y galaxias y explorar la naturaleza de la materia oscura y la energía, valen la pena. En las próximas décadas, los telescopios más avanzados del mundo tendrán el potencial de revolucionar nuestra comprensión del universo, como lo hizo el telescopio de Galileo hace 400 años.