COSTAR: el verdadero ‘nacimiento’ del Hubble

26/04/2015 1 comentario
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Como es sabido, cuando el Hubble envió sus primeras imágenes, la decepción fue inevitable. Se comprobó que el espejo primario no tenía la curvatura adecuada. El instrumento que corrigió la aberración esférica producida por este defecto se llamó COSTAR y fue instalado en diciembre de 1993 durante la misión del transbordador Endeavour STS-61, marcando así el verdadero 'nacimiento' del Hubble.

Este 24 de abril se celebra internacionalmente el 25 aniversario del lanzamiento del Telescopio Espacial Hubble. Evitando, desde sus 550 km de altitud, las distorsiones atmosféricas que afectan a los telescopios en la Tierra, el Hubble, ha aportado, durante un cuarto de siglo, las más detalladas imágenes del universo, que han permitido descubrimientos científicos de enorme trascendencia en los campos de la cosmología y de las ciencias planetarias.

Me uno un poco tarde a la celebración de este marcado aniversario al que Investigación y Ciencia ha contribuido con una nueva revista digital y con las fenomenales aportaciones de varios blogueros en SciLogs. Sin embargo, atendiendo a la historia de reparación del Hubble sobre la que voy a hablar en esta entrada, mi tardía incorporación puede tener, después de todo, un cierto sentido si se piensa que el momento en el que se puede considerar que se produjo el verdadero 'nacimiento' del Hubble también se dio con retraso respecto de su lanzamiento. Y es que, como es sabido, cuando el Hubble envió sus primeras imágenes, la decepción fue inevitable: si bien éstas tenían una mayor nitidez que las que se podían conseguir desde la Tierra, su calidad estaba, de hecho, muy por debajo de lo esperado de acuerdo a sus especificaciones de diseño, que establecían una resolución óptica (cuán juntos pueden estar dos puntos luminosos y ser distinguidos como dos puntos distintos) mayor de 10 veces la de los mejores telescopios en la Tierra.

El análisis de las imágenes permitió determinar que el origen del problema estaba en que el espejo primario, de 2,4 metros de diámetro y de 828 kg, no tenía la curvatura precisa; era demasiado plano y, por ello, la luz que se reflejaba desde su parte central se enfocaba en un punto diferente en el eje óptico principal del que lo hacía la luz que se reflejaba desde su parte exterior, un fenómeno conocido en óptica como aberración esférica.

El defecto en la curvatura era minúsculo: el espejo primario era demasiado plano solo en una medida de 4 milésimas de milímetro (aproximadamente la quincuagésima parte del ancho de una hoja de papel), en un espejo pulido con tal perfección que si se ampliara su tamaño al de la Tierra, el bulto más alto sería de 15 centímetros. Sin embargo, el error de 4 micras era suficiente para que las imágenes fueran un tanto borrosas.

Aberración esférica y defecto de forma en el espejo primario del Hubble. Fuente: Space Telescope Science Institute (con términos en español del autor).

La aberración esférica es un defecto bien entendido en óptica, así que se pudo determinar que la solución debería consistir en la introducción de espejos correctivos dentro del telescopio de forma que la luz pudiera ser reenfocada correctamente. El Laboratorio de Propulsión a Chorro había iniciado trabajos de cara a reemplazar en un futuro uno de los instrumentos científicos del telescopio, la Cámara Planetaria y de Campo Amplio, y había planificado modificar su óptica interna mediante el añadido de un juego de espejos que corregirían la aberración esférica introducida por el espejo primario.

Murk Bottema, de Bell Aerospace, sugirió usar un juego de espejos similar para reenfocar la luz según se dirigía a los otros instrumentos ópticos alojados en el Hubble. El problema, sin embargo, radicaba fundamentalmente en dar con la manera idónea de acceder a la zona donde se debía introducir este juego óptico. El telescopio espacial había sido concebido para que, a lo largo de su vida, recibiera misiones de servicio por parte del transbordador espacial, pero la zona en la que se debía colocar este juego de espejos no era accesible para un astronauta; estaba situada muy en el interior del telescopio y justo detrás del espejo principal.

Jim Crocker, ingeniero del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial, propuso que el juego óptico de corrección sugerido por Bottema, en una doble operación por control remoto, desplegara sus espejos detrás del espejo primario después de haberse deslizado por una guía desde el interior de uno de los instrumentos axiales del telescopio, que habría de ser reemplazado. Los instrumentos científicos en el Hubble están clasificados de acuerdo a su emplazamiento, siendo los instrumentos axiales los alojados en el interior de cuatro compartimentos dispuestos a lo largo del eje óptico principal, que están colocados justo por detrás del espejo primario, y a los que se tiene acceso a través de dos puertas dobles, una a cada lado del telescopio (los instrumentos radiales están dispuestos alrededor de los axiales).

La idea de Crocker consistía, por lo tanto, en reemplazar uno de los cuatro compartimentos axiales por otro de características mecánicas y térmicas similares que contuviera el referido juego óptico de corrección que habría de deslizarse hasta el corazón del Hubble y desplegar posteriormente sus espejos por control remoto. A este instrumento se le llamó COSTAR (Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement), y consistía en un conjunto de 10 espejos que debían interceptar la luz proveniente del espejo secundario (después de rebotar ésta en el primario), corregirla y dirigirla a los orificios de entrada -cinco en total-, distribuidos en los tres instrumentos axiales restantes. El plan, ingenioso pero complejo a la vez, parecía ser el más viable a pesar de todo, con lo que fue aprobado para su puesta en práctica.

COSTAR. Izda.: juego de espejos desplegado (fuente: LouScheffer). Dcha.: compartimento axial (fuente: RadioFan at English Wikipedia). Posteriores misiones de mantenimiento instalaron en el Hubble instrumentos axiales que ya incorporaban la corrección óptica necesaria con lo que COSTAR fue traído a la Tierra en la última misión de mantenimiento (Atlantis, 2009) y hoy se exhibe en el National Air and Space Museum en Washington D.C.

En diciembre de 1993, el transbordador espacial Endeavour realizó la primera misión de servicio al Hubble. Los astronautas, en una misión de enorme complejidad y de gran éxito, en la que estuvieron puestos, literalmente, los ojos de todo el mundo durante varios días, requirieron, tal y como estaba planeado, cinco salidas extravehiculares en equipos de dos a lo largo de cinco días. Durante estas actividades extravehiculares (EVA), los astronautas entendían que su labor y su presencia eran, en sí mismas, "una amenaza para la integridad el telescopio", tal y como relató el Comandante de Carga (Payload Commander) Story Musgrave, quien participó en 3 EVA en esa misión. Los astronautas, que en ocasiones tuvieron que introducirse en el telescopio, tuvieron que extremar su cuidado para evitar afectarlo en cualquier manera; instalaron nuevos paneles solares y sustituyeron diversos instrumentos y equipos; entre ellos, el Fotómetro de Alta Velocidad, que fue el instrumento axial sacrificado en favor de COSTAR.

Kathryn Thornton y Tom Akers instalando COSTAR. Fuente: NASA.

Cinco semanas después de la visita del Endeavour, y después de numerosos chequeos, el científico del programa, Ed Weiler, anunciaba con júbilo durante una rueda de prensa, que el telescopio Hubble estaba "reparado más allá de nuestras más ambiciosas expectativas". Todos los instrumentos, incluido COSTAR, funcionaban a la perfección. La comunidad científica y el mundo podían disfrutar ahora de una maravilla de la ingeniería.

Galaxia M100 observada antes y después de la instalación de COSTAR. Fuente: NASA/ESA/HST.

NOTA: COSTAR fue instalado en el séptimo día de la misión del Endeavour por los astronautas Kathryn Thornton y Tom Akers. Esa mañana, el control de la misión en Houston había despertado a la tripulación con la famosa y bonita canción 'I can see clearly now' ('Ahora puedo ver con claridad') de Johnny Nash, con la que os dejo a modo de celebración de este trascendente 25 aniversario