Jugando con antenas

Contemplando la imagen de la cabecera, puede que bastantes personas reconozcan la película: Contact, protagonizada por Jodie Foster en el año 1997. Una gran película de ciencia ficción basada en el libro con el mismo nombre de Arthur C. Clarke Carl Sagan. De esta imagen destacaremos dos cosas: primero las antenas, que a más de uno le sonará haberlas visto en más de una película o imágenes. Y la segunda a Jodie Foster… ¡aunque no su belleza! si no que nos fijaremos en lo que está haciendo: escuchar lo que capta una de las antenas.

Desvelando lo que todo el mundo sospecha: estas antenas se usan en astronomía, observando el cielo en radio.
Pero esta frasecita suele traer algunos problemas, normalmente por juntar en la cabeza dos ideas: el recuerdo de Jodie Foster escuchando y la palabra radio, que suele recordarnos a la «radio», el aparato que emite sonidos y sirve para seguir los partidos de fútbol o tertulias. Porque, contrariamente a la idea que se crea mucha gente, en radioastronomía no sintonizamos una de las emisoras del Universo, Radio Galaxia, Andrómeda 100 u Onda Venusina y nos ponemos a escuchar. ¡Más nos gustaría a nosotros! (y por si acaso, tampoco apuntamos todas esas antenas hacia una dirección para hacer volar una ciudad… que a imaginación el hombre no conoce límites).

Aclarado esto, ahora tenemos que explicar qué es lo que hacen estos locos con esos platos tan grandes si no se puede ver el fútbol con ellos. Y esto se puede entender muy fácilmente si nos dejamos de nombres nuevos y tecnicismos y empezamos a hablar claramente: solo son simples telescopios. Sí, como los que hay en Canarias o los que utilizó Galileo, aunque por fuera nos recuerden más a las antenas que podemos tener en el tejado. Así que lo que hacen es observar las imágenes que nos llegan del cielo… y nosotros miramos a ver qué encontramos.

Lo simple y bueno…

Como en todas estas cosas cada euro invertido vale su peso en oro, suele ser recomendable ser un poco ratas e intentar evitar todo lo que sea innecesario. Es por ello que podemos llegar a ver algunas de estas antenas como las que muestro a continuación:

Fotografías del observatorio ALMA en Chile (izquierda), Weterbork ne Holanda (centro) o GMRT en India (derecha). Cortesía de NRAO/AUI, ASTRON y GMRT.

donde podemos ver que mientras algunas son macizas (imagen izquierda), hay otras que son más estilo colador (imagen central), pero otras incluso llegan al extremo de parecerse más a un tendal de la ropa (imagen derecha). Eso sí, éste bastante hermoso: de unos 10-50 m de diámetro. Válido hasta para tender todo el vestuario de los Beckham.
Es obvio que construir estas antenas así en lugar de inmensos espejos perfectamente pulidos sale mucho más barato. Pero si las ondas de radio siguen siendo luz… ¿por qué se consigue que estos alambres funcionen como un espejo y enfoquen la imagen del cielo en la cámara? la cual, por cierto, está en esa «nariz» que tienen todas las antenas cerca del centro.

La respuesta nos vendrá si recordamos que la diferencia entre las ondas de radio y la luz visible (o cualquier otra parte del espectro luminoso, electromagnético) es su longitud de onda. En el caso de radio, ésta puede ser de milímetros, centímetros o incluso metros, mientras que la luz visible tiene una longitud de únicamente unas décimas de micras. Y esto hace que interaccionen con lo que se encuentran por el camino de forma diferente: mientras la luz visible rebota al encontrarse con espejos, las ondas de radio rebotan básicamente al encontrarse con un material metálico.

Así, podemos reducir los costosos espejos de los telescopios habituales a una parabólica de aluminio (por poner un ejemplo), mucho más sencilla de construir. Pero además es que esa longitud de onda nos da una idea de hasta qué margen tiene nuestro telescopio para tener «imperfecciones». Es decir, mientras que los espejos de un telescopio no deberían tener imperfecciones (como bultos) más grandes que centenares de nanómetros (la milmillonésima parte del metro), en radio podemos tener bultos o huecos de hasta centímetros sin que la imagen que obtengamos se entere y salga borrosa.

Por ello, los telescopios que trabajan únicamente con longitudes de radio centimétricas o mayores se pueden permitir tener únicamente esa maraña de alambres, con nada de por medio.

Cuestión de tamaños

Como todo en la vida, el tamaño sí importa. Hasta en la radio astronomía. De hecho, aquí pasa exactamente igual que en un telescopio «normal»: cuanto mayor diámetro tenga el telescopio, mayor cantidad de luz recogemos… y por tanto podemos ver objetos más débiles. Además de con mayor resolución.

Y aquí hay un añadido que hace que el radioastrónomo se pueda sentir mucho más contento que un astrónomo normal: en radio (a las longitudes que normalmente se observa) la atmósfera no afecta tanto, es transparente, por lo que no existe ese problema de que debido a las turbulencias del aire no podemos ver grandes detalles y tenemos que irnos al espacio o hacer triquiñuelas en los espejos (como la óptica adaptativa). Ah! y hay otras dos cosas que le parecerían el paraíso a cualquier astrónomo: las nubes no nos importan, nosotros podemos observar aunque esté nublado; y que sea de día tampoco. Así que también podemos estar observando de día, mientras estamos con la cervecita al Sol.

Sin embargo, no todo es oro en este mundo. Algunos de los inconvenientes (aunque no es que lo sea en la práctica) es que si apuntamos una de nuestras antenas a un punto en el cielo, en lugar de obtener una imagen de toda esa región, únicamente obtenemos un punto. Es decir, la intensidad que existe en esa dirección. Nada más. Es como si trabajásemos con una cámara que únicamente tiene… un píxel. Podéis imaginar lo que ello implica.

Y por otro lado, tenemos que todos estos beneficios de la longitud de onda de las ondas de radio también tiene su parte mala: la resolución que tiene una antena de estas en comparación con cualquier telescopio óptico es mucho menor para un mismo diámetro del espejo/antena.
Poniendo números, una antena que observe en radio (a longitudes de centímetros) deberá tener un diámetro 100.000 veces mayor al de un telescopio óptico para tener la misma resolución. Esto es, si tenemos un telescopio en casa de diez centímetros de diámetro, y queremos observar con la misma resolución en radio, necesitaremos una antena con un diámetro de… 10.000 km. Esto se traduce en la imagen de la derecha.

Desde luego que no quedaría mal, incluso haríamos que la Tierra se pareciese a la Estrella de la Muerte de Star Wars. Y seguro que varios habitantes de los desiertos estarían a gusto con la sombrita de la antena. Aunque el problema aquí (obviando los problemas técnicos de poder construir una antena tan grande) es evitar la furia de todas las ciudades a las que dejaríamos sin ver la luz del Sol y que pasarían a tener un cacharro metálico por encima de sus cabezas.

Multiplica y vencerás

Para evitar este «problema técnico» del tamaño de una antena con buena resolución, lo que se consiguió desarrollar es que si en lugar de una antena, utilizamos muchas repartidas por la misma superficie que cubre nuestra «antena gigante», y combinamos la señal de todas ellas adecuadamente, obtenemos una señal equivalente a si tuviéramos dicha antena gigante. Con la misma resolución que ésta, aunque como podremos suponer, con una sensibilidad mucho menor (proporcional al diámetro y número de antenas utilizadas). Muchas antenas trabajando como una sola. Lo que se conoce como interferometría.

Así se llega a la red VLBI actual, a la que están conectadas antenas que están repartidas por todo el mundo. Desde América hasta Australia, pasando por Europa, con lo que conseguimos una antena equivalente de miles de kilómetros de diámetro. De tamaño planetario.

El problema de esto es cómo combinar las señales de cada antena. Porque para empezar se necesita conocer la distancia entre éstas con una precisión mayor que la longitud de onda de la luz que se observa. Así que al observar ondas submilimétricas, se necesita conocer la distancia entre antenas (que suele ser desde decenas de metros hasta bastantes kilómetros) con una precisión de milímetros. Aunque esto es realizable en radio, es precisamente el impedimento que se tiene todavía para poder hacer interferometría entre telescopios ópticos, donde se necesitaría una precisión de nanómetros.

Como añadido a esto, tenemos que la ionosfera (una de las capas altas de la atmósfera) afecta en parte a la señal que llega a cada antena. Como hemos dicho antes, este efecto no es muy importante en radio, pero sí juega un papel importante cuando utilizamos antenas que se encuentran a una gran distancia, ya que las condiciones climáticas existentes en una u otra antena pueden ser muy diferentes (si están alejadas centenares o miles de kilómetros… es posible que mientras en un lado esté nevando, en el otro haga un Sol abrasador). Así que al combinar estas señales hay que tener presente y considerar las condiciones presentes en cada una de ellas.

Sin embargo todo ello tiene al final un grato resultado. Actualmente las imágenes astronómicas con mayor resolución se consiguen únicamente en radio, gracias precisamente a la interferometría, llegando a resolver objetos de milésimas de segundos de arco. Algo a lo que ni se acerca ningún telescopio óptico actual.

En el futuro, veremos qué objetos podemos observar en radioastronomía…