Retos científicos en la era de los grandes telescopios: el E-ELT

El 26 de Mayo de este año tuvo lugar en el Observatorio de Paranal (Atacama, Chile) la ceremonia simbólica de la puesta de la primera piedra para la construcción del telescopio más grande que tendremos sobre la Tierra  en las próximas décadas: el E-ELT (por sus siglas en inglés European-Extremely Large Telescope). El inicio de este proceso, que durará hasta 2024, abre una década en la que además de telescopios “extremadamente grandes”, las diferentes agencias espaciales también lanzarán telescopios espaciales con instrumentación puntera para el estudio del cosmos en todo un abanico de campos de la Astrofísica. Comienza así un nuevo capítulo de la historia sobre la exploración del Universo. Pero ¿cuáles son los retos científicos a los que podremos hacer frente con todas estas nuevas instalaciones en tierra y espacio? ¿Qué nos aportará el E-ELT que no podamos hacer con los telescopios de la clase 8-10 metros de los que disponemos en la actualidad?

Para responder a estas preguntas es importante clarificar las principales características que distinguen al ELT de otros telescopios. En primer lugar, el E-ELT constará de 798 espejos hexagonales de 1.4m, que conformarán un espejo segmentado de 39 metros de diámetro, el mayor construído hasta la fecha. La ventaja obvia de tener un telescopio de grandes dimensiones es que incrementamos el área colectora de luz. Hasta la fecha, los telescopios más grandes de que disponemos tienen un diámetro de entre 8 y 10 metros. Así, un telescopio con un diámetro 4 veces superior tendría un área colectora 16 veces mayor. Esto se traduce (grosso modo) en que las observaciones que en el VLT (Very Large Telescope), de 8 metros de diámetro, implican una hora de exposición, en el ELT podríamos hacerlo en menos de 5 minutos. Las ventajas de esto son principalmente dos: 1) podemos realizar muchas más observaciones de igual calidad en el mismo tiempo y 2) podemos observar objetos mucho más débiles que en la práctica serían imposibles de estudiar con telescopios más pequeños. Por otro lado, puesto que el límite de difracción de un telescopio a una longitud de onda determinada viene dado por el inverso de su diámetro (~1/D), teniendo un telescopio de mayor apertura podremos obtener una mejor calidad de imagen sin siquiera implementar ningún tipo de corrección adicional (como por ejemplo un sistema de óptica adaptativa). Pero además, el E-ELT también dispondrá de un complejo sistema de óptica adaptativa para corregir la turbulencia atmosférica en tiempo real, deformando su espejo M4 para conseguir que el frente de onda proveniente de los objetos celestes sea lo más plano posible, mitigando así los efectos de la turbulencia atmosférica (ver Vernet et al., 2013). Esto permitirá al E-ELT obtener imágenes de mejor resolución espacial que telescopio espacial James Webb.

Estas capacidades tecnológicas abren la puerta a nuevos horizontes científicos. Un claro ejemplo es el caso de la exploración exoplanetaria. Uno de los principales retos en este campo es la detección de planetas similares a la Tierra y el estudio de sus condiciones de habitabilidad. En la actualidad, la instrumentación de la que disponemos nos ha permitido detectar miles de planetas extrasolares en los que hemos encontrado características inesperadas tanto en cuanto a su composición como a su arquitectura. Sin embargo, seguimos a la caza de un análogo terrestre. Los próximos años serán cruciales en esta búsqueda, con nueva instrumentación terrestre y espacial.

El E-ELT, en su primera generación de instrumentos, dispondrá de un espectrógrafo de super alta resolución que, como ESPRESSO en el VLT (del que hablaremos en futuros posts), permitirá la detección de estos planetas con la técnica de velocidad radial, alcanzando precisiones de hasta 2 cm/s. Esto permitirá obtener la masa de planetas rocosos con una alta precisión que, unida a la precisión de las misiones espaciales para determinar los radios planetarios por el método de los tránsitos, nos permitirá estudiar la composición de los llamado planetas telúricos (o rocosos), ver Imagen 2.

Otra de las principales mejoras que el E-ELT y su instrumentación podrán proporcionar en el campo exoplanetario es el estudio de las atmósferas de estos mundos extrasolares: su composición química, climatología y temperaturas. Para ello, es esencial obtener el espectro de transmisión (la luz de la estrella que atraviesa la atmósfera del planeta durante un tránsito planetario) y reflexión del planeta, y detectar los eclipses secundarios (paso del planeta por detrás de su estrella). Aunque en la actualidad podemos detectar algunos elementos químicos de la atmósfera de planetas gigantes gaseosos (como sodio o potasio) con instrumentos como FORS2/VLT, sólo telescopios de la clase 40m nos permitirán estudiar las atmósferas de planetas tipo Tierra y super-Tierra.

La gran apertura del E-ELT permitirá también el estudio de galaxias de menor tamaño, componiendo un censo completo de galaxias de nuestro Universo local. Además, su capacidad de resolución espacial podrá discernir las diferentes poblaciones estelares de galaxias cercanas. Esto nos permitirá estudiar la influencia de los diferentes ambientes galácticos en la formación y población estelar. Esta instalación también nos abrirá la puerta a la detección de galaxias lejanas, de alto desplazamiento al rojo (z, redshift). Se espera que se puedan detectar galaxias a z~13, correspondientes al momento en que el Universo tenía menos del 2% de su edad actual. El E-ELT podrá estudiar estas galaxias de alto redshift midiendo sus masas, edades, metalicidades e incluso sus tasas de formación estelar. Todo ello nos ayudará a entender los agentes que provocaron la re-ionización del Universo para dar lugar al estado actual de la materia. Otra de las preguntas científicas a las que el E-ELT ayudará a dar respuesta es la evolución actual del Universo. En los últimos años se ha detectado que la expansión del Universo comenzó a acelerarse recientemente. Para comprobarlo, es imprescindible detectar trazadores de este fenómeno. Uno de ellos son las supernovas de tipo Ia. La detección de este tipo de eventos transitorios a mayores distancias nos permitirá medir con mayor precisión esta aceleración. Otro ejemplo es la detección de energía oscura en el medio intergaláctico. El E-ELT intentará, por primera vez, encontrar variaciones en el redshift de galaxias lejanas, que permitirían una medida independiente de esta expansión.

La construcción de una instalación singular como el E-ELT, con un coste total de 1000 millones de euros (solo 4 veces el coste de la película “Avatar”) y un coste de operación de 50 millones de euros al año (un 0.5% del presupuesto de España en Defensa), supondrá un paso de gigante en el avance científico y tecnológico de la Astronomía. Su construcción obligará al desarrollo de materiales y tecnología inexistentes hasta la fecha, generando un avance muy significativo en diversas áreas técnicas (por ejemplo, técnicas de imagen de alta resolución o calibración espectroscópica). Científicamente, su valor es incalculable. En la era de la exploración exoplanetaria, el E-ELT está destinado a buscar y caracterizar una nueva generación de exoplanetas, esta vez sí, análogos a la Tierra; y poder caracterizar sus propiedades a la caza de mundos habitables. Otros muchos campos de la Astrofísica experimentarán también un crecimiento exponencial, como es el caso de la Cosmología y la Física Extragaláctica. En definitiva, estamos a las puertas de una nueva revolución científico-tecnológica, con grandes proyectos y misiones espaciales que se llevarán a cabo en la próxima década. Y el E-ELT estará a la cabeza de todos ellos.

https://www.youtube.com/watch?v=CUeM19xgaXo

https://youtu.be/aWq8ujKdRRg

Jorge Lillo-Box

European Southern Observatory (ESO)

Doctor en Astrofísica y director de TFMs en la VIU.

Profesor del Máster Universitario en Astronomía y Astrofísica en la VIU