“Los planetas terrestres se forman a partir de granos de polvo estelar”

Javier R. Goicoechea, científico titular del CSIC en el Grupo de Astrofísica Molecular.

Estudia cómo evolucionan las nubes de gas y polvo interestelar, con la esperanza de desentrañar cómo son los primeros momentos de existencia de la materia sólida en el Universo.

Javier R. Goicoechea

Goicoechea muestra los resultados de sus investigaciones en Orión, llevados a cabo con ALMA. Foto: Jorge A. Vázquez.

El Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) parece que está, literalmente, en una zona de guerra. Se escuchan, no muy lejos, armas de fuego, algunas de repetición, disparando en el polémico campo de tiro aledaño. Es polémico porque, de hecho, a veces se escapan disparos que acaban agujereando las ventanas de alguno de los centros de investigación que allí se encuentran.

La sede del Instituto es un edificio acristalado, moderno y de aspecto frío, con muchos despachos y laboratorios, comunicados por largos pasillos. Cuando hay alguna puerta abierta se ven complicados aparatos y a científicos trabajando, solitarios. No se parece en nada a un centro de investigación biológica, en los que hay microscopios, probetas y estanterías con atractivos frascos de sustancias diversas. Los físicos trabajan delante de ordenadores en los que analizan los datos de sus investigaciones.

La sobriedad del edificio se suple por la visión de los astrofísicos, que trabajan aquí desde hace pocos años. En las paredes de los despachos cuelgan fotografías e ilustraciones que reflejan paisajes astronómicos inmensos, de miles y millones de años luz. Los astrofísicos, analizando los datos que reciben de lejanos telescopios (ellos lo llaman “reducir datos”), se adentran en el espacio tiempo, trabajando para averiguar cómo se forman las semillas de los planetas como el nuestro. Por eso, en el grupo Nanocosmos, estudian el polvo de estrellas.

Goicoechea nos recibe en su despacho, con un apretón de manos, hablando de ciencia, señalando las zonas más interesantes de la Nebulosa de Orión, en una colorida y gran fotografía que ocupa la pared. “Cuando uno se dedica al cielo profesionalmente, llegas a casa después de diez horas de trabajo y se pierde un poco el romanticismo de la noche de verano.” Esas son las palabras con las que da comienzo la entrevista.

“Los astrofísicos dicen de nosotros que hacemos química, pero la química que hacemos es más cercana a la física cuántica.”

En Nanocosmos estudian la química de las nubes interestelares. ¿Se diría que son ustedes astrofísicos o químicos?

Somos astroquímicos o astrofísicos moleculares. Nanocosmos es un equipo multidisciplinar que estudia el gas molecular y el polvo estelar en el laboratorio y en el espacio. Los astrofísicos dicen de nosotros que hacemos química, pero la química que hacemos es más cercana a la física cuántica. Es una química muy física porque necesitas conocer los procesos cuánticos fundamentales, cómo colisionan las moléculas, cómo reaccionan.

¿Cómo es la química en estas nubes tan livianas?

Echando cálculos, estas nubes son tan grandes y tan poco densas que las moléculas que las forman tardan unos quince días en encontrarse unas con otras. Estamos acostumbrados casi a contar moléculas una a una. Las escalas temporales no tienen nada que ver con la química a la que estamos acostumbrados en el laboratorio. El otro aspecto es la temperatura criogénica, porque estas nubes están a entre 10 y 100 kelvin [entre -263º C y -163º C], nada que ver con las temperaturas de la superficie de las estrellas, que son de miles de grados. Hay materia en forma de gas molecular y de granitos de polvo.

¿Cuál es la proporción entre el gas y el polvo?

En estas nubes hay aproximadamente unas cien veces más masa en forma de gas que en forma de polvo, aunque el polvo no deja de ser una componente fundamental. Los granos miden unas décimas de micras, son refractarios, con núcleos de silicatos, de hierro o de otros elementos. Los granos, aunque sean pequeñísimos, están formados por trillones de moléculas. Estos granos tan pequeños empiezan a chocar, a agregarse en los discos protoplanetarios, creciendo hasta que se convierten en asteroides y en cometas. Piensa que en este momento nos encontramos sentados sobre un planeta terrestre. Los planetas terrestres se forman a partir de granos de polvo estelar, que es lo que estamos estudiando.

¿Se podría decir que es una química que va a cámara lenta? ¿Cómo pueden hablar de observar una evolución si tardan millones de años en producirse los cambios?

A los astroquímicos nos gusta mucho esta vertiente, porque en el universo podemos esperar mucho más tiempo, ya que la vida media de una nube molecular es de millones de años. Te parece lento pero es así, y las densidades son bajas porque las nubes son muy grandes. Existen otras galaxias con otras condiciones diferentes, incluso más extremas. Lo que tienes que hacer es intentar abarcar el mayor rango de escenarios posibles. Así podemos observar un panorama de evoluciones, y vemos muchísimas galaxias en las que hay regiones que son muy jóvenes, otras regiones donde se están formando estrellas y regiones donde las estrellas ya han explotado, así que puedes crear una línea evolutiva. Todo lo que estudiamos en las nubes está íntimamente ligado con el ciclo de vida de las estrellas.

¿Cómo es la materia interestelar en estas condiciones tan frías?

Se dan las condiciones físicas y químicas para que la materia esté en forma de moléculas y no en forma atómica. En el universo frío tenemos los dos extremos. La formación de estrellas en nubes moleculares, protoestrellas y, en el otro extremo, cuando mueren después de haber vivido en la secuencia principal, que se empiezan a enfriar y se vuelven a ver en el infrarrojo lejano. Es interesante porque vemos el principio y el final de las vidas de las estrellas. Más frías en el infrarrojo, en longitudes de onda largas [menor energía], más calientes en el visible y el ultravioleta. Los humanos sólo somos sensibles a los cuerpos calientes. A longitudes de onda más largas veríamos el universo frío.

la nebulosa de orion observada en infrarrojo

Esta es la imagen infrarroja de la Nebulosa de Orión que contempló a los contertulios durante toda la entrevista, colgada en la pared del despacho de Goicoechea. Fuente de la imagen: Observatorio Europeo Austral. ESO/J. Emerson/VISTA. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit.

¿Considera que su ámbito de estudio es una ciencia del vacío?

Yo no utilizaría la palabra vacío, porque el vacío no existe como tal. A diferencia de las estrellas y los planetas, las nubes moleculares tienen densidades mucho más bajas que las que se pueden conseguir en las cámaras de ultra alto vacío, en el laboratorio terrestre. Estas cámaras llegan a densidades de 100.000 moléculas por centímetro cúbico, que para nosotros sería una nube densa, donde se van a formar estrellas. Estas nubes densas se forman, pensamos, por colisiones de nubes difusas, que solo tienen 100 moléculas por centímetro cúbico.

“Con ALMA, por primera vez, vamos a poder resolver estas zonas de la fotosfera de las estrellas donde creemos que se forma el polvo.”

¿Se conoce el entorno concreto en el que se forma un grano de polvo interestelar?

Sabemos que hay dos entornos para formarse, bien en las explosiones de supernova, de estrellas masivas, bien cerca de la fotosfera de estrellas de baja masa, muy evolucionadas. Pero hay muy pocas estrellas masivas. Lo que más abunda son las estrellas de baja masa, como nuestro Sol. Cuando evolucione a gigante roja, en su envoltorio de gas, se producirán unas pulsaciones, donde parece que se darán las condiciones físicas para que se formen los granos de polvo. Ahí pensamos que se forma gran parte del polvo que hay en la Galaxia.

Entonces parece que hablamos de estrellas de tipo Mira, variables pulsantes.

Todo esto lo estamos compaginando con la parte astronómica, gracias a ALMA y a su resolución angular salvaje, estudiamos por ejemplo las estrellas tipo Mira que tú has comentado. Se caracterizan porque son pulsantes, se han enrojecido y a lo largo de su vida, cuando son maduras, expulsan gran parte de su masa en forma de una envoltura circunestelar, muchísimo más grande que la estrella. El Sol morirá de esta forma, convirtiéndose en gigante roja, expulsando gran parte de su materia, con la que nos barrerá a todos.

¿Cuál es el papel de la máquina Stardust en todas estas investigaciones?

Stardust es una máquina diseñada y construida con financiación europea, dentro de lo que llamamos Nanocosmos. Con ella pretendemos simular estas capas exteriores de las estrellas evolucionadas, que son las que creemos que dominan la Galaxia, para tratar de averiguar cómo se forma el polvo y qué tipo de polvo se forma, exactamente. Queremos averiguar cómo se forman, a partir de moléculas, los granos de polvo. En el ICMM hay físicos y químicos que hacen experimentos de superficies, de nanopartículas, de ultra alto vacío. Nos hablamos muchos con estos físico-químicos porque la nuestra es una ciencia tremendamente multidisciplinar. Este es el motivo por el que hay astrofísicos aquí.

Parece el sueño de un astrofísico, Stardust es casi como meter parte de una estrella dentro de una probeta. ¿Qué potencial tendrá esta información al relacionarla con la que se obtenga con ALMA?

Con ALMA, por primera vez, vamos a poder resolver estas zonas de la fotosfera de las estrellas donde creemos que se forma el polvo de nuestra galaxia. Para ello tenemos al Grupo de Materia Circunestelar, en el que trabaja el profesor José Cernicharo, que usan las altísima sensibilidad y resolución angular de ALMA para intentar observar el borde de una estrella altísimamente evolucionada. Con ALMA observamos la emisión del gas molecular, no el polvo. Creemos que, juntando la información de las moléculas con estos elementos refractarios en fase gas, con las moléculas y los experimentos en laboratorio con la máquina Stardust, podremos entender este paso de la materia de gas a sólido.

Ya se tomaron imágenes de discos protoplanetarios, en Orión, con el telescopio espacial Hubble. ¿Qué es lo nuevo que aporta ALMA?

Hacemos espectroscopía de altísima resolución y podemos saber la composición y ver dónde están las moléculas, además de su cinemática. La línea espectral tiene una morfología que permite saber si el disco protoplanetario se está fotoevaporando, o si está sufriendo otros procesos. La nebulosa de Orión es icónica y a pesar de ello no puedes pensar que te vaya a ayudar a explicar todo. Orión es interesante porque es la región de formación de estrellas masivas más cercana que tenemos. Mientras que una estrella poco masiva como el Sol va más despacio, las estrellas masivas viven tan rápido que, cuando empiezan a iluminar su entorno en ultravioleta, continúan embebidas en la nube molecular que las vio nacer.

De esto trata, precisamanente, su último trabajo publicado en Nature.

El objetivo del estudio es averiguar cómo influye esta retroalimentación de las estrellas masivas hacia su entorno (la nube de gas molecular), para saber si su efecto es negativo, destruyendo la nube por ionización; o si es un efecto positivo, que con la radiación ultravioleta induce una serie de procesos físicos complejos, calentando el gas, aumentando su presión, comprimiéndolo y formando grumos. Este último caso es el de los escenarios de formación estelar inducida. Según una de las teorías de la formación estelar, la segunda generación de estrellas se puede formar porque una primera estrella masiva induce la formación de grumos, favoreciendo que nazca una segunda generación de estrellas poco masivas.

“Pico Veleta es de los únicos sitios donde uno se puede seguir sintiendo astrónomo”

La antena de 30 metros del IRAM en Pico Veleta, Granada,  ha tenido siempre una gran importancia en radioastronomía milimétrica. ¿Qué expectativas de futuro tiene ahora, con ALMA funcionando ya a pleno rendimiento?

Acceder a tiempo de observación con ALMA es tremendamente complicado y competitivo. ALMA está abriendo una ventana al universo frío y todos los astrofísicos en un montón de campos diferentes quieren trabajar con ALMA, por esta faceta de que la astrofísica hoy en día es multi longitud de onda. Pero solo se aceptan unas pocas propuestas. Una de las formas de ser más competitivo en la radioastronomía de ALMA, que es milimétrica y submilimétrica, y de conocer bien los procesos y escribir buenas propuestas, es acceder antes de ALMA a otros radiotelescopios milimétricos. Y el mejor radiotelescopio en ondas milimétricas es el de Pico Veleta. De hecho es una herramienta puntera en muchos campos de astrofísica molecular. Es de las pocas donde un estudiante de tesis puede puede dirigir la antena y ver a dónde está apuntando. En los nuevos telescopios espaciales, y en ALMA, es tan complicado que jamás vas a observar in situ, porque ahora te bajas un archivo y trabajas con los datos desde tu despacho.

Hay incluso una componente sentimental con la antena de Pico Veleta

Pico Veleta es de los únicos sitios donde uno se puede seguir sintiendo astrónomo,  formándose en tiempo real. Para un astrofísico es extraordinariamente placentero y muy importante. Es una forma muy buena de seguir formando a gente muy buena en milimétrica, que luego pueda competir mucho más en ALMA. Un estudiante que hace una tesis, hoy en día, no tiene por qué observar con un telescopio, por la complejidad que conlleva y los presupuestos que se manejan. Incluso en SOFIA, mucho más barato que un telescopio espacial, un vuelo de 8 horas de observación cuesta entre 150.000 y 200.000 dólares. Es tan caro que no te dejan hacer nada, aunque vayas en el vuelo. Tienes un grupo de astrónomos que está observando para ti. No pueden permitirse el lujo de que se cometa un error.

Los planes estatales de investigación científica le piden, a la ciencia, la generación de conocimiento cuyos resultados supongan avances cualitativos y significativos en el ámbito científico y tecnológico. ¿Cree que la ciencia debe servir siempre a un fin material e inmediato?

No. La ciencia y la investigación son parte del ser humano. La ciencia tiene una parte más aplicada, de conseguir cosas que le sirvan al ciudadano ahora mismo, control del tráfico, medio ambiente, qué se yo. Pero todo desarrollo intelectual necesita la investigación básica, donde uno se centra, como en nuestro caso, en problemas físico-químicos fundamentales, y eso a largo plazo siempre va a dar cosas inesperadas. Los astrónomos, sin pensar en la telefonía móvil, desarrollaron las observaciones con instrumentos electrónicos y las técnicas de CCD; y aunque la gente que invirtió en astrofísica no pensó en aplicaciones inmediatas más allá de la investigación, ahora millones de personas llevan una cámara en sus móviles. Y así en miles de campos. Limitar la ciencia a sus aplicaciones para hoy puede ser muy pobre.

Sería entonces el clásico papel de agente externo impulsor de la producción y del progreso social. ¿Puede haber ciencia solo por el placer de conocer?

Pero eso es solo para el científico. Ahora la ciencia y el conocimiento humano son tan complejos y detallados que el científico solo aporta pequeños granos de arena a una montaña colosal de conocimiento. Siempre la investigación fundamental va a ser la primera locomotora para que en años puedan surgir aplicaciones de uso mundial. ¿Por qué la gente iba a invertir en matemáticas fundamentales? Resulta que esas matemáticas ahora pueden servir para crear algoritmos de seguridad para un ordenador, etc.

Cuando Kepler estableció las leyes de movimiento de los planetas no esperaba lo que ha venido después.

Claro, Kepler no estaba pensando en satélites. Pensar que la ciencia tiene que dar dinero y patentes inmediatas es muy pobre. Los países desarrollados, no solo más ricos sino con mejor nivel de vida, son curiosamente los países que invierten más en ciencia. Por algo será también.

“Hay una diáspora española. Para gente joven que empieza ahora, es una carrera con muchos obstáculos y hay muy pocas plazas.” 

¿Influye este materialismo en vuestro grupo de trabajo?

En España cada vez hay menos inversión en ciencia en investigación fundamental. Sí que se ha notado que hay menos financiación para becas en España, hay menos tesis y contratos postdoctorales financiados. Sacarse una plaza fija es una quimera. La edad media del personal de CSIC ha aumentado, no hay reemplazos para los investigadores que se están jubilando ahora. La tasa de reposición es como de uno a diez. El sistema está encogiendo y no damos abasto. Un científico no está solo en el despacho, tiene que hacer trabajo administrativo, viajes. Y en 10 años se va a notar mucho más.

edificio del ICMM

La sede del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid. Foto: Jorge A. Vázquez.

Parece que la ciencia española logró un cierto reconocimiento internacional antes de la crisis. ¿Cómo le han afectado los recortes a nuestro prestigio?

Hay una diáspora española. Se ha pasado a lo contrario en demasiado poco tiempo, a que haya mucha gente que, a pesar de llevar una carrera científica, vea imposible regresar a España, por no poder sacar una plaza fija. Eso, aparte de ser frustrante a nivel personal, es una pérdida constante de recursos, porque son gente que está dando beneficios en otros países receptores, como Estados Unidos y Alemania. Pero seguimos teniendo un papel importante porque en España se trabaja mucho. Nuestro grupo es muy competitivo y obtiene financiación porque nos dejamos la piel en la investigación científica, lo que nos permite, con menos recursos, competir al mismo nivel que otros países más ricos. Antes de la crisis, todos los ámbitos del Estado funcionaban bien y había muchas más plazas en el CSIC, más contratos de tesis, de postdoc… Para la gente joven que empieza ahora, es una carrera con muchos obstáculos y hay muy pocas plazas.

¿Teme por su futuro profesional?

He tenido la suerte de haber sacado la plaza el año pasado. Pero durante cinco años, en España, he estado muy asustado, porque había largos periodos en los que no se convocaba ninguna plaza. Estuve trabajando en París cuatro años, y volví. La posibilidad de tener que regresar al extranjero era complicada a nivel familiar y es muy duro plantearse abandonar tu profesión a los cuarenta. Yo tengo compañeros que han decidido, o bien dejarlo, o bien volver a Estados Unidos. Me siento un afortunado porque yo, lo que quiero hacer, es ciencia. Pero por mucho que me saque una plaza, si el sistema no me financia ni me da recursos en forma de, por ejemplo, estudiantes, quizá algún día me tenga que plantear irme al extranjero.

¿Qué recuerdos guarda de sus estancias en el extranjero?

Buenísimos. Completamente recomendable a nivel profesional y personal. Es un requisito para todo científico, además de que como persona te enriquece. Aprendes a trabajar con otra gente, con otras formas y objetivos. Es una época crítica en la vida de un científico para establecer conexiones de trabajo. Como la instrumentación es tan complicada, la ciencia son grandes colaboraciones internacionales en las que uno tiene que, además de ser medianamente inteligente, saber hacer vida científica social. Tengo mucha suerte con la gente con la que trabajé allí, siguen siendo mis colaboradores más estrechos. La vertiente personal es también muy satisfactoria. Ha sido mi estancia más larga.

 

“No hay que contentarse con lo que te da la ciencia hoy.”

En relación con los retos que plantea el futuro, háblenos del proyecto SPICA, en el que anda metido.

Iba a ser el nuevo sustituto del telescopio espacial Herschel. En astrofísica siempre quieres ser más sensible, detectar otros objetos más tenues, llegar al universo profundo, el universo primitivo. Hay dos formas de incrementar la sensibilidad de un telescopio. Bien aumentando el tamaño del espejo primario, o en el infrarrojo, como estamos detectando la emisión térmica de objetos lejanos, refrigerando el telescopio, para que toda la instrumentación emita lo menos posible. Herschel es el telescopio espacial más grande jamás enviado al espacio. Su espejo tenía 3,5 metros. Pero no estaba refrigerado activamente, sino que su temperatura era la del punto del espacio en el que se encontraba, a 80 kelvin [-193º C]. SPICA es un proyecto como Herschel, pero refrigerado activamente a 5 kelvin [-268º C], todo el espejo, toda la óptica y los detectores. Ahora hay tecnología suficiente para refrigerar grandes masas.

Habla de SPICA en pasado. ¿Ha sido cancelado?

El proyecto SPICA está vivo. Hubo una selección que superamos hace unos años. Y ahora en junio la ESA tiene que elegir tres. De los cincuenta que había, al final solo va a quedar uno. En época de vacas flacas el desarrollo de un telescopio espacial tiene muchos pasos, compite con otros de otras longitudes de onda. Por lo tanto, para que una misión espacial vuele, se necesitan alrededor de veinte años de trabajo previo.

Por eso publica todos esos artículos en los que parece que se está vendiendo el instrumento.

Ahí trato de demostrar que tengo una contribución a la parte tecnológica. Cuando uno se mete en este desarrollo de telescopios espaciales, tiene que publicar artículos donde se muestre. Pero son “papers” que no te van a citar mucho: “White papers”, “yellow books”, etc. Hay una terminología de artículos donde uno publicita las características de un futuro telescopio. Pero te quita de publicar y no le puedes dedicar todo tu tiempo. Hay una especie de competición y “las cosas de espacio van despacio”, como nos gusta decir a los que trabajamos en esto. También me interesa, y trabajo en ello, la vertiente tecnológica. No soy ingeniero, pero suelo trabajar con ellos, ya que unos y otros tenemos que colaborar. Es una vertiente que me gusta, y no solo estar en el despacho reduciendo datos. También he contribuido al posible desarrollo de un interferómetro espacial, con cinco radiotelescopios volando comunicados por láser. No hay que contentarse con lo que te da la ciencia hoy.

Tengo entendido que ha volado con SOFIA. ¿Por qué es tan importante este observatorio?

SOFIA nos permite observar algunos trazadores que no podemos observar desde Tierra. Como la criogenia de Herschel se evaporó, el único telescopio que ahora tenemos para operar, en algunas longitudes de onda del infrarrojo lejano, es SOFIA. Tiene una cámara con el equivalente a siete píxels, pero con instrumentos radio, heterodinos. Es un desafío tecnológico, pero mucho más barato que un satélite. Es un Jumbo modificado, que lleva un telescopio de 2,5 metros, que intenta volar a unos 13 km por encima del nivel del mar, en la estratosfera, dos kilómetros por encima de donde vuelan los aviones comerciales. Ahí el vapor de agua atmosférico se reduce tanto que se puede empezar a observar en el infrarrojo lejano.

Debe de ser una experiencia volar en esas condiciones.

Entras a una base de la NASA, con todo lo que significa eso, te sientes como un pequeño astronauta, con tu identificación y escoltado en todo momento. Si a un astrónomo le dan una propuesta de observación con SOFIA, la NASA le invita a volar con ellos. Tienes que ir a un pequeño pueblo de California, Palmdale, a una base del ejército de los Estados Unidos. Antes de despegar tienes el mission breafing, donde te juntas con el director de la misión, los pilotos, meteorólogos, el de motores, estilo americano, todo el mundo hablando muy profesional, describiendo cada uno de los detalles de la misión. Hasta que te preguntan: “Astrónomos, ¿qué vamos a hacer hoy?” Te tienes que levantar delante de todos los militares americanos y decirles, solemnemente. “Pues vamos a observar una región de Orión que está iluminada por estrellas que emiten en ultravioleta.” – Risas. – Luego te invitan a despegar y aterrizar en la cabina, con los pilotos.

¿Han observado la misma zona, dentro de la Nebulosa de Orión, de la que hablábamos antes?

En esta investigación se trataba de llevar a cabo el proyecto de cartografiar toda la nube, en la emisión más intensa del carbono ionizado C+. Es una linea que sólo se puede observar desde la estratosfera, la más brillante en la que emite el medio interestelar. La observábamos antes con Herschel.

C+ es el ión de carbono al que sólo le falta un electrón.

Exactamente. Llega un fotón ultravioleta de las estrellas y se lo arranca. Tiene una línea en el infrarrojo lejano, a 158 micras, que es la emisión más intensa del medio interestelar, la más brillante. Estamos haciendo un mapa de toda la nebulosa de Orión, haciendo un cartografiado de toda la región, con la salvedad de que no es una imagen estática, sino que hacemos una película. Voy a mostrártela.

 


El espectro electromagnético y la radiación infrarroja

el espectro electromagnetico

El espectro electromagnético abarca desde las ondas de radio hasta los rayos gamma; pasando por las microondas, infrarrojos, luz visible, ultravioleta y rayos X, todo son ondas electromagnéticas, con distintos rangos de energía. Fuente: ALMA.

Es imposible comprender, no ya el Universo, sino el mundo, sin tener una idea, por básica que sea, sobre las ondas electromagnéticas. La luz lo es, pero también las microondas y el “wi-fi”, las ondas de radio, los rayos ultravioleta y los rayos X. Los físicos hace ya mucho tiempo que estudian estas ondas, dentro lo que hoy conocemos como espectro electromagnético.

La astrofísica, hoy en día, es multi longitud de onda. Los problemas que tenemos son tan complicados, que para intentar entenderlos, no te puedes dedicar sólo a una longitud de onda del espectro electromagnético. – Explica Goicoechea. – A lo mejor hace veinte años sí que había una figura del radioastrónomo, o del astrónomo infrarrojo. Al menos desde mi visión, para tratar de atacar los problemas de forma conjunta, uno tiene que intentar observar a diferentes longitudes de onda.

De forma natural, un cuerpo, como una estrella, que se encuentre a miles de grados de temperatura, emitirá luz visible, que son las ondas electromagnéticas que solemos percibir las personas. – En el visible vemos el universo caliente. El Sol, una estrella a unos 5.500 grados, emite principalmente en el visible. – Continúa explicando -.  Pero en el Universo no hay solo estrellas y planetas. Hay cuerpos muchísimo más calientes y también muchísimo más fríos que las estrellas y los planetas. Estos cuerpos más fríos no emiten luz visible, sino infrarrojos. – Desde mi tesis siempre he tenido una formación en longitudes de onda raras, que los astrofísicos han tardado mucho en poder acceder a ellas, como el infrarrojo lejano, alrededor de las 100 micras, que no se puede observar desde tierra, porque el vapor de agua las absorbe.

Cantoblanco, Madrid, 4 de abril de 2017.

Mirar a través de ALMA

Miles de astrónomos se preparan estos días para postular a tiempo de observación con el radiotelescopio ALMA. A través de ventanitas en el espectro electromagnético, el mayor radiotelescopio del mundo capta luz que vibra y tiene su longitud de onda alrededor del milímetro. En seis meses más, y tras un riguroso proceso de selección y planificación, el sexto ciclo de observaciones de ALMA verá la luz.

Chajnantor. ¿Cómo es Chajnantor? En el desierto de Atacama, el llano de Chajnantor es, ante todo, seco. También es alto: a más de 5000 metros de altitud, sesenta y seis antenas apuntan hacia el cielo. Eso es ALMA: sesenta y seis gigantes mirando las estrellas.

“Cada vez que se observa algo con ALMA, se pega un saltito más o menos grande”, explica Sebastián Pérez, doctor en astrofísica por la Universidad de Oxford e investigador de la Universidad de Chile en el Núcleo milenio de discos protoplanetarios (Millenium Nucleus for ALMA Disk research, MAD).

ALMA panorama. Una vista panorámica del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). A lo lejos, la Vía Láctea resplandece.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) es un complejo astronómico constituido por un conjunto de antenas repartidas en una extensa área del llano de Chajnantor.  Las antenas observan en longitudes de onda milimétricas y submilimétricas, lo que las hace especialmente interesantes para detectar elementos fríos, como gases y polvo a baja temperatura, lugares propicios para la formación de estrellas y planetas. ALMA es un solo telescopio. Una de sus particularidades tecnológicas es que sus antenas trabajan juntas y funcionan como un telescopio de potencia equivalente a una sola antena de dieciséis kilómetros de diámetro. Esta tecnología se conoce como interferometría. ALMA es también una configuración variable: enormes camiones mueven las antenas cambiando su disposición en el llano, cambiando así también la resolución y sensibilidad del telescopio.

ALMA es una colaboración internacional entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS), en cooperación con la República de Chile, país anfitrión donde se ubica el observatorio.

ALMA tiene un modelo de funcionamiento – la prestación de servicio – que abunda en el sector privado, pero no tanto en el ámbito académico. Este modelo contrasta con la imagen tradicional del científico que genera u obtiene su propia muestra de estudio. Es un modelo innovador. Como las observaciones son muy complejas y ALMA busca maximizar la productividad del observatorio, sus astrónomos e informáticos, que saben lidiar con los datos del instrumento, entregan al investigador un producto lo más finalizado posible. “Lo cual no sucedía antes con los observatorios: uno iba para allá, hacía sus propias observaciones, te ibas con tu paquetito de datos, y lo hacías lo mejor posible para reducirlos y analizarlos”, explica el investigador. 

Si bien cada uno de los miembros asociados al proyecto interviene en la construcción y operaciones del observatorio a través de centros regionales, es el Joint ALMA Observatory (JAO) quien tiene a su cargo la dirección general, la gestión de la construcción, la puesta en marcha y las operaciones de ALMA. Y quien hace el llamado a propuestas.

El otoño austral marca el inicio del proceso de postulación y evaluación de propuestas para conseguir tiempo de observación con ALMA. De marzo a octubre, se seleccionan y planifican las observaciones que el radiotelescopio efectuará durante su siguiente ciclo.

Marzo

Martes 21. Se abre el periodo de postulación. Durante un mes, científicos de todo el mundo enviarán sus propuestas para intentar obtener tiempo de observación en el ciclo 5 de ALMA, que empezará en octubre y durará un año.

Porque los ciclos de ALMA son anuales. Para programar la configuración de las antenas y optimizar la posición de la Tierra en cada momento del año con lo que se quiere observar, se necesita una planificación anual. ¿Cómo conciliar entonces estos ciclos anuales con los ciclos de financiamiento de la investigación, generalmente más largos? “Claro, postular a una propuesta de financiamiento para un proyecto con datos que no tienes, es muy difícil. Tú tendrías que ganarte primero el tiempo, pero la riqueza que tienen los datos astronómicos de ALMA es super grande”, afirma Sebastián Pérez. El núcleo milenio se fundó con altas probabilidades de obtener unas horas de observación con ALMA en su ciclo 0, durante su marcha blanca. En esa ocasión lograron dos horas de observación con dieciséis antenas, y con los datos obtenidos publicaron siete papers tras cuatro años de trabajo. “Muchas veces uno toma unos datos y no hay nada. Pero de repente tienes estos datos de ALMA, que son de una riqueza tremenda, que dan para descubrir muchas cosas y perseguir muchas ideas.”

El año pasado Sebastián Pérez obtuvo once horas de observación en ALMA. En su caso, realizó previamente un trabajo teórico para modelizar el proceso de formación de planetas a partir de los discos que se forman alrededor de las estrellas jóvenes. De este modo pudo presentar una proyección de planetas en formación, basada en las simulaciones construidas a partir del modelo, que se podía probar o desechar con unas horas de observación en ALMA. Una idea potente con justificaciones científicamente sólidas.

Los principales criterios de selección de las propuestas son su calidad científica y el impacto potencial de los resultados obtenidos tras la observación. De las más de mil propuestas que espera recibir la JAO, alrededor de trescientas serán seleccionadas. El 20 de abril se cerrará el periodo de postulación.

Agosto

ALMA utiliza un sistema de evaluación por pares para garantizar la imparcialidad en el proceso, y el mérito científico como principal criterio de selección. Nicolás Lira, coordinador de comunicaciones y educación de ALMA, explica el proceso de revisión de propuestas: ALMA colabora con un centenar de revisores externos, organizados según sus áreas de conocimiento en grupos de diez a quince personas. Son los paneles de revisión de ALMA (ARP). En un primer momento, cada propuesta es revisada por uno de los miembros del panel, quien la presentará en las jornadas de debate que tienen lugar en junio, en un lugar del mundo distinto cada año. Durante cuatro días cada panel debate, en claustro, las propuestas revisadas y define un ranking, dentro de su área de conocimiento. El quinto día, todos los paneles de revisión se reúnen y definen un ranking general de todas las propuestas. “Cuando se juntan todos, se toma en cuenta la calidad científica, que las áreas de conocimiento estén representadas según la demanda, y que los tiempos de observación estén equilibrados según los países que contribuyen o los Open Sky – países que están fuera del conglomerado de los partners”, aclara Nicolás Lira.

El tiempo de observación de ALMA disponible para los partners se divide proporcionalmente en base a las contribuciones de cada uno de ellos, y se distribuye equitativamente según las estaciones del año. Chile, como país anfitrión, recibe el 10% del tiempo de observación, y es tratado en forma idéntica a los partners, como una cuarta parte.

Y un día de agosto cada PI recibe un mensaje informándole si su propuesta quedó clasificada, y con qué prioridad.  También reciben las anotaciones técnicas y la documentación necesaria para diseñar los bloques de observación.  Los PI tienen un mes para crear esta pauta u ‘hoja de ruta’ astronómica. Para ello, no están solos: pueden solicitar ayuda para trabajar junto a un astrónomo del observatorio.

ALMA tiene la JAO – en Santiago y cerca de San Pedro de Atacama – y tres centros regionales en Norteamérica, Alemania y Japón. Los investigadores ingresan su propuesta en los servidores de la JAO, pero después consultan los datos desde el centro regional que elijan o que tengan asignado. Cualquier comunicación entre el PI y ALMA se hace a través del help desk, que funciona desde los centros regionales. “ALMA tiene un servicio astronómico de soporte que es muy bueno, donde mandas un ticket con tu pregunta al help desk, y un astrónomo se comunica contigo para trabajar juntos”, indica Sebastián Pérez.

Septiembre

En septiembre astrónomos de ALMA trabajan con el programa de código abierto ALMA Common Software (ACS) para hacer la planificación anual de observaciones. Mediante un proceso semi-automático, el ACS trata de optimizar el programa anual, considerando para ello la prioridad de cada proyecto, el catálogo celeste, los tiempos de los bloques de observación y la configuración de antenas necesaria para cada bloque.

Sebastián Pérez explica por qué los dos últimos parámetros son tan importantes. “Lo que yo observo precisamente son discos protoplanetarios, material que está alrededor de las estrellas jóvenes y donde se podrían estar formando planetas. Y se necesita mucho tiempo de observación porque si bien hay algunos de estos objetos que son relativamente brillantes, nunca son tan brillantes. Mientras más tiempo observas, acumulas más fotones y entonces tu imagen empieza a adquirir más detalles.” A mayor tiempo de observación, se adquiere más información.

Sebastián Pérez, astrofísico e investigador del Núcleo Milenio de Discos Protoplanetarios, de la Universidad de Chile.

La configuración de las antenas determina la resolución y sensibilidad de la imagen. ALMA no es una antena gigante, sino un arreglo de antenas. El investigador usa una analogía: “es como estar tratando de agarrar luz con un colador”. Mientras más grande es el colador, más grandes son los hoyos y menos sensibilidad tiene la imagen resultante porque tienes menos luz e información. Pero aumenta la resolución. “Entonces no se trata de decir siempre ‘observemos con Alma en su máxima extensión’, porque hay muy pocas cosas que tú puedes ver con esa máxima extensión. Porque sólo podrías ver cosas que son relativamente muy brillantes. Para las cosas que son más débiles, juntas todas las antenitas y tienes una resolución que es baja, una imagen borrosa, pero ves algo y puedes obtener un flujo, un dato”, explica Pérez.

Aunque los PI nunca sabrán en qué momento serán hechas sus observaciones, septiembre cierra con la planificación lista.

Octubre

Y en octubre empiezan, al fin, las observaciones. El observatorio tiene en Chile tres sedes principales: la sede central en Santiago, el centro de operaciones (Operations Support Facility, OSF) situado a 2900 metros de altitud, y el sitio de operaciones del conjunto de las antenas de ALMA (Array Operations site, AOS) situado a 5000 metros de altitud.  A 5000 metros solo los camiones Otto desplazan lentamente las antenas cuando se requiere un cambio de configuración. Debido a la baja concentración de oxígeno en altitud, todas las operaciones de observación se controlan desde el OSF, a 2900 metros.

ALMA observa día y noche, por lo que los equipos trabajan en turnos rotativos. Varios equipos intervienen. Al momento de observar, un equipo científico formado por dos astrónomos va revisando que se estén obteniendo datos científicos, y no únicamente ruido. Uno de ellos está al mando de la sala de control. Otro equipo programa las observaciones cada noche. O cada día. El equipo técnico formado por los operadores del telescopio se encarga de manejarlo.

A medida que llegan, los datos brutos se guardan en el data center del OSF, e inmediatamente se van copiando en el data center de la sede en Santiago. Y en unas horas, lo más rápidamente posible siempre, se van copiando en los tres centros regionales de Europa, Asia y Norteamérica. Por seguridad los datos se guardan indefinidamente en cinco data center idénticos. Es el archivo de ALMA.

En algún momento

El equipo de reducción de datos de ALMA está formado por astrónomos e informáticos. Se ocupan de procesar los datos brutos de cada observación. “Se llama reducir porque tienes medio terabyte de datos, y al final con eso vas a hacer un par de imágenes chiquititas”, cuenta Sebastián Pérez. Y añade: “ALMA te entrega los datos relativamente reducidos. Por lo menos calibrados. Hace una calibración muy compleja para dar cuenta del movimiento de la atmósfera, para corregir un montón de factores inherentes a la interferometría. Y uno hace el procesamiento más fino cuando te llegan los datos acá. Uno toma lo más avanzado que hizo el equipo de ALMA, y lo reduce un poco más finamente, de acuerdo a las necesidades científicas que tenga.”

Nicolás Lira lo resume así: “es como hacer un control de calidad”. El proceso de reducción es semi-automático: un informático debe ir generando modificaciones del software, o un astrónomo debe decidir en algún momento entre dos opciones garantizando la coherencia científica. Eso hace que una reducción pueda durar meses. Cuando el equipo de reducción ve que los datos cumplen con ciertos parámetros que pide el proyecto, los datos se liberan y ALMA restituye al investigador principal una imagen por cada longitud de onda observada.

Los datos son exclusivos para el PI durante un año. Nadie más tiene acceso a ellos durante ese plazo. Esto le permite al equipo que desarrolló la propuesta disponer de tiempo suficiente para trabajar los datos, analizarlos y publicar los resultados de su investigación. El impacto que está teniendo ALMA en la investigación astronómica es innegable. Por citar unas cifras, el número de artículos científicos basados en observaciones de ALMA crece cada año a un ritmo acelerado: del 2012 a la fecha se han publicado 621 artículos en revistas científicas. De estos, 229 fueron publicados en 2016: un artículo científico cada día y medio.

Sebastián Pérez explica este impacto de la siguiente manera:

“Las observaciones que se hacen desde la Tierra, se hacen a través de pequeñas ventanas del espectro electromagnético. La mayor parte de este espectro no se ve porque es absorbido por moléculas de la atmósfera. A toda esa luz se le sacan pedazos de información. Pero con lo poquito que vemos hemos hecho maravillas, especialmente con ALMA, que abre esa ventana que se viene explorando desde hace muchos años, que es la longitud de onda alrededor del milímetro”.

Esta longitud de onda ya se exploraba desde hace unos años con telescopios mucho más pequeños. Según el investigador estas observaciones se hacían a unas resoluciones tales que mostraban que había algo muy interesante que estudiar, pero las imágenes eran muy borrosas. “Ahora, con ALMA se ve mucho más. Vemos muchos detalles que nos estábamos perdiendo”, concluye.

Todavía no se hacen las observaciones que Sebastián Pérez ganó en el ciclo 4 de ALMA. Once horas de observación repartidas en varios bloques de cuatro horas. Su propuesta tiene prioridad A. Va a ser observada, pero en el momento en el cual esté la configuración de antenas que él necesita. Y cuando ocurra, sabrá si sus simulaciones de formación de planetas son probadas o rechazadas.

– ¿Y te gustaría que se viera y se probara vuestra simulación?

– No. Más feliz sería no verlo, porque habría algo que está mal, que no estamos tomando en cuenta. Me gustaría que fuese algo parecido, pero con muchos elementos que no consideramos. Porque yo quiero saber cómo se forman los planetas, no quiero que la naturaleza me diga “ya, le achuntaste”.

Hasta entonces, sesenta y seis gigantes seguirán buscando nuestros orígenes cósmicos en la soledad del llano de Chajnantor.

La soledad de ALMA. Esta vista panorámica del llano de Chajnantor muestra el sitio del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), fotografiada desde cerca de la cumbre de Cerro Chico.

 

Una burbuja colosal se extiende por la nebulosa de Orión

Astrónomos del CSIC observan una región de la Vía Lactea con el telescopio ALMA, en Chile

La Gran Nebulosa de Orión se estaría transformando químicamente a ojos vista, por vientos estelares emitidos por las cuatro estrellas de El Trapecio. Todo ello según los resultados de una investigación internacional realizada mediante el sofisticado telescopio ALMA, en Chile, liderada por el grupo Astromol del CSIC, con participación del Observatorio Astronómico Nacional (OAN) y del Instituto de Radioastronomía Milimétrica (IRAM). Los resultados del estudio fueron publicados en junio de 2016 en la revista Nature en un artículo titulado “Comprensión y ablación de la nube foto-irradiada de la Barra de Orión“.

dentro de la nebulosa de orion

Detalle de la zona de Orión estudiada con el radiotelescopio ALMA, y que se conoce como La Barra de Orión.

Los astrónomos del CSIC estudian la dinámica de la Gran Nebulosa de Orión, (un conocido objeto visible a simple vista, especialmente, en los cielos invernales del hemisferio norte o en los veranos del hemisferio sur), combinando observaciones de diversos telescopios con las ondas de radio recibidas, también de la nebulosa, mediante  ALMA. Para ello han concentrado sus esfuerzos en una zona de la nebulosa conocida como “La Barra de Orión” en la que la transición se aprecia más claramente.

Javier R. Goicoechea, investigador principal,  explica: “El objetivo del estudio es averiguar cómo influye esta retroalimentación de la nube hacia su entorno, para saber si su efecto es negativo, destruyendo la nube por ionización; o si es un efecto positivo, que con la radiación ultravioleta induce una serie de procesos físicos complejos, calentando el gas, aumentando su presión, comprimiéndolo y formando grumos.”

Estudiando la distribución y el estado del hidrógeno y de otros elementos químicos en la nebulosa, se habría observado que una gran onda expansiva, una onda de alta presión, estaría propagándose por la Gran Nebulosa de Orión, avanzando según se extienden los efectos de la luz ultravioleta emitida por unas estrellas supergigantes azules que se encuentran en su interior. Estas jóvenes estrellas son conocidas como El Trapecio, (observables con un pequeño telescopio de aficionado). La radiación emitida por estas estrellas estaría afectando al estado y a la composición química del gas de esta gran nube, que mide casi 25 años luz de diámetro.

Según Goicoechea: “Orión es interesante porque es la región de formación de estrellas masivas más cercana que tenemos.” La nebulosa de Orión se compone, principalmente, de hidrógeno. Este elemento está formado por un protón, que está en el núcleo, y un electrón ubicado en una especie de nube que rodea a ese núcleo. Se lleva comprobando en laboratorios de la Tierra desde el siglo XIX, que la radiación ultravioleta es capaz de alterar no solo al átomo de hidrógeno, sino también a los otros elementos de la tabla periódica. La forma en la que interactúa esta radiación se puede medir u observar en función de la radiación que emita el átomo de hidrógeno una vez es sometido a ella. También se puede saber si esos átomos no han sufrido estas radiaciones en absoluto. Precisamente es eso lo que se mide en la nebulosa, tanto por medios ópticos como, en este caso, observando y analizando las ondas de radio mediante ALMA. Lo que se observa es en qué estado se encuentra el hidrógeno en diversas zonas, con el fin de determinar hasta dónde ha llegado la onda expansiva de los efectos de la radiación ultravioleta sobre el gas de la nebulosa. Por eso se ha decidido observar la Barra de Orión, que tiene muy marcadas las zonas por las que van penetrando estos efectos de la luz ultravioleta.

Así, se ha medido la distribución del hidrógeno y otros elementos y moléculas en la Barra, analizando el estado en que se encuentran, para determinar la expansión de los efectos de la radiación ultravioleta, que se extienden como una gran burbuja que no para de crecer no sólo ahí, sino por toda la nebulosa. También se han detectado grumos de materia que estaría quedando atrás, como resultado del barrido que van produciendo los vientos estelares en los materiales que componen la nube. Se ha estudiado si estos grumos podrían dar lugar a la formación de nuevas estrellas en el futuro, con un resultado negativo, ya que no tendrían la masa necesaria como para ello, aunque sí que parece que tienen probabilidades de mantener a salvo diversos compuestos químicos en su interior. Es conveniente decir que hasta la fecha se han detectado multitud de moléculas en la nebulosa de Orión y en otras de las que pueblan la galaxia Vía Láctea.

Hay también datos sobre la velocidad de expansión de los efectos de los vientos estelares en la composición química de la nebulosa, y parece que sería cercana a la velocidad del sonido, sin sobrepasarla.

Un objeto al alcance de los entusiastas de la Astronomía

Los astrónomos siempre han dirigido su vista hacia Orión, quizá la constelación más hermosa del cielo. Visible desde ambos hemisferios de la Tierra, ha dejado improntas en casi todas las culturas que ha habido en nuestro planeta. Después de Galileo Galilei, el segundo astrónomo que miró a las estrellas con un telescopio fue Nicolas-Claude Fabri de Peirsec. Y descubrió ahí, en 1610, la Gran Nebulosa de Orión.

Cualquiera puede observarla, bajo cielos limpios y oscuros. Esto es debido a que no está demasiado lejos del planeta Tierra, tan solo a la vertiginosa distancia de 1.350 años luz. En realidad es una distancia pequeña si se compara con el tamaño de la Vía Láctea, nuestra galaxia: 100.000 años luz de diámetro. Miles de astrónomos aficionados de todo el mundo la observan cada noche, de agosto a mayo, con sus prismáticos y telescopios, esperando ansiosos a que los ilumine con su tenue luz fantasmal.

En el interior de la nebulosa está El Trapecio, un cúmulo de cuatro estrellas muy jóvenes. Es muy conocido por los aficionados a la astronomía, ya que hasta los niños buscan sus azuladas estrellas, cuando tienen la suerte de acceder a un telescopio. Las estrellas de El Trapecio tienen unos pocos millones de años de edad. Son recién nacidas y están en la cuna en la que han nacido: La nebulosa. Se trata de unos bebés si se las compara con nuestro viejo Sol, que ha cumplido ya los 5.000 millones de años. Estas estrellas son supergigantes, así que emiten una potente radiación ultravioleta, que transforma su entorno de forma dramática, barriendo literalmente los materiales de los que se compone la nebulosa. Las estrellas de El Trapecio llegan a alterar sus propiedades físicas y haciéndola brillar por sí misma. Este es precisamente el origen de la luz con la que se percibe la nebulosa en el cielo.


El proyecto ALMA

Hoy en día, la Gran Nebulosa de Orión sigue atrayendo a los proyectos científicos más punteros del momento, como ALMA, acrónonimo inglés que podría traducirse como Gran Estructura Milimétrica de Atacama.

ALMA es lo que, en términos científicos, se conoce como interferómetro. Se trata de una agrupación de antenas, en este caso 66, que observan las ondas de radio que llegan del espacio. Configurando y coordinando como una sola antena gigantesca -tan grande como estén de separadas las antenas individuales entre sí-, es capaz de observar con un detalle inusitado hasta ahora. Trabaja en el rango de las ondas de radio más energéticas, las milimétricas, que son absorbidas por el vapor de agua presente en la atmósfera de la Tierra. Por ese motivo se instaló en Atacama, Chile, en la desértica meseta de Chajnantor. A 5.000 metros de altitud, el aire es tan seco que casi no hay vida, apenas unos pocos animales y plantas.

ALMA puede ser operado a distancia desde cualquier lugar del mundo. Esto es útil no solo porque a 5.000 metros de altitud no se puede vivir con normalidad, sino también porque se puede trabajar con él desde los principales centros de investigación científica del mundo, no importa lo lejos que estén.