ALMA (Atacama Large Millmetre/submillimetre Arrray) es en la actualidad el mayor observatorio astronómico en tierra. Su objetivo fundamental es estudiar el gas frío en el universo, a través de la realización de observaciones de radiación en longitud de onda milimétrica y submilimétrica. El gas frío (a menos de unos cientos de grados) es un ingrediente fundamental del medio interestelar de las galaxias, a partir del cual se forman estrellas. De gas frío están hechos los discos protoplanetarios, en los que se forman los planetas. El gas frío es rico en especies moleculares, muchas de ellas desconocidas en la Tierra. Otras, las moléculas prebióticas, pueden dar indicios acerca de la emergencia de vida en el universo.

Son estos objetivos científicos los que han conducido al fascinante observatorio ALMA, una máquina con 66 antenas conectadas a un gigantesco cerebro o correlador, todo ello a una altitud de 5000 metros en uno de los lugares más inhóspitos del planeta. Se trata de un interferómetro en el que las antenas, separadas por distancias de hasta 16 kilómetros, combinan las señales digitalizadas que reciben de la observación de la misma zona del cielo en ondas milimétricas y submilimétricas, para obtener datos de una precisión verdaderamente exquisita.

El observatorio ALMA en Chajnantor recibiendo la última antena. Crédito A. Marinkovic/X-Cam/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Los principales precursores de ALMA pueden considerarse por un lado el VLA (Very Large Array) en Socorro (USA) como interferómetro conexo de gran base (hasta 27 kilómetros) pero en ondas de radio centimétricas e IRAM (Institut de Radio Astronomie Millimetrique) cuyo interferómetro milimétrico en el Plateau de Bure constituye en muchos aspectos una versión reducida de ALMA. La diferencia entre ondas de radio centimétricas y milimétricas o submilimétricas no es baladí. La atmósfera es bastante benigna y transparente a las ondas centimétricas, mientras que afecta mucho y de forma variable a las milimétricas y submilimétricas.

Hay muchas características de ALMA que le otorgan el calificativo de único, siendo quizá la más importante que ha conseguido llegar dos pasos más adelante que sus predecesores: ALMA alcanza una resolución angular sin precedentes (por debajo de 0,1 segundos de arco) gracias al despliegue de sus antenas a lo largo y ancho de los 16 kilómetros del llano de Chajnantor, consigue observar en banda submilimétrica gracias a la extrema sequedad de la atmósfera. Para hacernos una idea, en un buen observatorio astronómico a una altitud de unos 2500 metros, se alcanzan ocasionalmente los 2-3 milímetros de vapor de agua precipitable. En Chajnantor la mitad del tiempo hay menos de 1 milímetro de vapor de agua y una cuarta parte del tiempo menos de medio milímetro!

Los retos que ha debido afrontar el proyecto ALMA son muchos y variados. El éxito del proyecto se mide hoy en día con los datos astronómicos absolutamente fascinantes que obtiene. Pero ser un observatorio único no ha sido fácil.

Cooperación internacional

ALMA es el fruto de la cooperación entre tres instituciones cuyo ámbito geográfico es el de tres regiones distintas del mundo. Por un lado ESO (Organización europea para la investigación astronómica en el hemisferio austral) en nombre y representación de sus estados miembros. Por otro la NSF (fundación nacional para la ciencia de EEUU), que además representa al NRC (consejo nacional de investigación de Canadá) y al NSC (consejo científico nacional de Taiwán). Y finalmente, NINS (el instituto nacional de ciencias naturales de Japón) que además representa a la Academia Sínica de Taiwán y a KASI (instituto coreano de ciencias espaciales).

Se trata por tanto de un proyecto con dimensión global, algo imprescindible tanto del punto de vista presupuestario (construir ALMA ha costado unos 1200 millones de euros) como técnico, al haberse podido sumar conocimientos y experiencia de los tres socios. A su vez ALMA atiende las demandas científicas de una amplísima comunidad investigadora establecida por casi todo el mundo.

Combinar las distintas culturas que constituyen el bagaje de los tres socios en ALMA no ha sido sencillo. No siempre ha sido fácil hallar un punto de encuentro en el que asiáticos, europeos y norteamericanos pudieran gestionar conjuntamente del proyecto. Además ALMA se encuentra en el desierto de Atacama, en la II región de Chile, con lo que la adaptación a los usos y prácticas locales ha sido otro reto que ha habido que atender. Afortunadamente el deseo común de construir el mayor observatorio astronómico del mundo ha conseguido que se superaran esas dificultades

Atacama

La ubicación del observatorio ALMA se acordó relativamente temprano por los socios, a pesar de que cada uno de ellos tenía inicialmente sus preferencias. El requisito de que las antenas puedan separarse entre ellas a distancias de más de 10 kilométros, y que el lugar fuera extremadamente seco no ofrecen muchas alternativas. Sin duda el llano de Chajnantor a casi 5100 metros de altitud las cumple con creces.

Chajnantor se encuentra en pleno desierto de Atacama, en el altiplano andino, entre los volcanes Licancabur y Láscar. A esa altitud, con la mitad de aire que a nivel del mar y condiciones climatológicas a menudo extremas, hasta respirar es un reto. De ahí que ALMA haya construido su centro de operaciones a unos 2900 metros, cerca de la carretera que une San Pedro de Atacama y Toconao.

Vista panorámica del centro de operaciones de ALMA a 2900 metros. Crédito: ESO El enclave en el que se asienta ALMA es verdaderamente fascinante, a orillas del Salar de Atacama. El paisaje, la flora y la fauna son verdaderamente llamativos, de ahí que San Pedro de Atacama sea un foco de atracción turística y cultural de primera línea. La cultura y tradiciones de las comunidades atacameñas continúan muy vivas en el lugar, ahora complementadas por la presencia de una instalación científica de ámbito mundial como ALMA. 

Retos tecnológicos

Prácticamente todos los elementos de ALMA están en la frontera de la tecnología. El ejemplo más visible lo constituyen las 66 antenas. La superficie reflectora de cada antena debe tener una precisión de más de 25 micras para que pueda reflejar las ondas submilimétricas en lugar de dispersarlas. De ellas 25 fueron aportadas por Europa, otras 25 por Norteamérica y las 16 restantes (que constituyen el Atacama Compact Array–ACA) por Asia. Menos las 12 antenas japonesas que se acumulan en el centro y que tienen 7 metros de diámetro, el resto tienen todas 12 metros de superficie reflectora. Estas antenas tienen que funcionar en condiciones extremas de temperatura (hasta -50 grados), vientos fuertes y resistir nevadas fuertes o incluso lluvia. Todo ello sin que su superficie se deforme. Las antenas de ALMA suman una superficie colectora equivalente a un campo de fútbol, mucho mayor que cualquiera de sus predecesores.

Dentro de cada antena, se encuentran los receptores ultrasensibles que recogen las ondas submilimétricas reflejadas por las antenas. Estos receptores (hay un total de 10 previstos en cada antena, cada uno de ellos cubriendo una banda determinada en longitud de onda) están fabricados usando tecnologías punteras, algunas de las cuales, como las uniones SIS (superconductor-aislante-superconductor), se desarrollaron justo a tiempo para la construcción de ALMA. Los receptores van dentro de unos tanques refrigerados y lo que contribute a que el ruido electrónico sea mínimo.

El correlador de ALMA, dentro del edificio técnico a 5000 metros de altitud. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), S. Argandoña Un equipo electrónico llamado Back End, que se encuentra situado en un edificio parcialmente presurizado a 5000 metros de altitud, envía unas señales temporales ultraprecisas a cada antena, y que le son devueltas una vez mezcladas con la señal astronómica que miden los receptores. Dentro del mismo edificio se combinan estas señales en un gigantesco computador de 17 PetaFLOPs, llamado correlador, diseñado y construido al efecto. De allí salen las franjas interferométricas de las que los científicos pueden recomponer los datos astronómicos.

Nunca hasta ahora se había conseguido realizar observaciones interferométricas a distancias kilométricas en ondas milimétricas o submilimétricas. Aunque pequeña, la cantidad de vapor de agua que atraviesa la radiación desde la fuente astronómica que se está observando es distinta para cada antena, y eso debe corregirse utilizando unos radiómetros de vapor da agua (que también ha habido que desarrollar y fabricar a medida). Afortunadamente, las tecnologías que se seleccionaron para ALMA han funcionado.

Infraestructuras

Si todo eso es ya de por sí complicado, el desplegarlo en un lugar sin agua, sin electricidad y casi sin oxígeno ha añadido una nueva dimensión al reto: la de las infraestructuras.

Las antenas, que pesan 120 toneladas cada una, deben asentarse de forma perfectamente plana y alineada sobre alguna de las 192 bases que se han construido por el llano de Chajnantor. Algo tan aparentemente simple como fraguar hormigón sin apenas aire y en condiciones extremas ha sido un reto. Los dos transportadores, también diseñados y construidos expresamente para ALMA, de 130 toneladas, 28 ruedas cada uno 1500 CV de potencia cada uno son capaces de levantar, mover y depositar con precisión milimétrica cada antena hasta su nueva ubicación.

Ha habido que construir una estación de producción de energía de 7 MW, que funciona con varios tipos de combustible, en la actualidad gas licuado, el más limpio. Y un sistema de distribución eléctrica que llega hasta los 5000 metros, respetando el paisaje escrupulosamente. Cada día varios camiones cargados con agua suben al centro de operaciones y abastecen de agua el lugar, en el que durante las fases más activas de la construcción llegaron a trabajar casi 500 personas.

A principios de 2015 se ha comenzado a construir una residencia en el centro de operaciones, que constituirá el hogar de los técnicos y científicos que trabajan en ALMA. Con el máximo respeto al entorno, esta residencia podrá alojar hasta 120 personas. En la zona se dispone ya de áreas recreacionales, incluyendo instalaciones deportivas. 

La recompensa

ALMA se empezó a construir en 2003 y se ha terminado a finales de 2014. Desde septiembre de 2011 ALMA realiza observaciones astronómicas. Se comenzó con pocas antenas y separadas unos pocos cientos de metros. Hoy día se han llegado a utilizar ya 50 antenas y separadas hasta 14 kilómetros.

Es tal la potencia de ALMA con respecto a sus predecesores que casi cada nueva observación da lugar a un descubrimiento. La campaña que se realizó a finales de 2014 con las primeras antenas a más de 10 kilómetros de distancia ha aportado datos absolutamente espectaculares, gracias a la altísima resolución espacial. Como muestra, destaco dos resultados.

En la observación de la estrella HL Tau, se puede ver no solo el disco protoplanetario que la rodea, sino que se pueden ver con toda claridad las subestructuras en el disco en forma de "huecos" que se habían predicho como signos inequívocos de la formación de planetas. 

Imagen obtenida por ALMA la estrella HL Tau con su disco protoplanetario, en el que se ven los huecos que deja el proceso de formación de planetas. ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

La otra observación se refiere a una predicción de la teoría de la relatividad general de Einstein, según la cual los rayos de luz de curvan por efecto gravitatorio al pasar cerca de una masa. En el caso que tengamos una fuente brillante justo detrás de dicha masa (una galaxia) debería verse un anillo, al rodear los rayos de luz a dicha galaxia. La imagen de ALMA de la galaxia SDP.81 muestra este anillo a la perfección, tal y como predice la teoría de la relatividad general.

Anillo de Einstein que forma la galaxia SDP.81 a z=3.02. Crédito ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Valía la pena. ALMA está aquí, y ha venido para quedarse mucho tiempo.

Xavier Barcons
Xavier Barcons

Profesor de investigación del CSIC en el Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC), del que fue primer director (1995-99). Investiga en galaxias activas en rayos X con XMM-Newton y otros telescopios. Fue asesor científico de la ESA (2002-06), del Plan Nacional de I+D+i (2004-2014), vicepresidente (2011) y presidente (2012-14) del Consejo del ESO, representante en el directorio de ALMA (2008-14). Impulsor y partícipe de la misión Athena y coordinador del equipo científico del instrumento X-IFU.

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Contar lo fascinante que es observar el universo e intentar entenderlo, en particular aquellos fenómenos más energéticos y más difíciles de percibir. Las herramientas que usamos, en tierra y en el espacio. Y, por qué no, responder cuando alguien pregunta «Y todo esto, ¿para qué sirve?».

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