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22 de Enero de 2021
Cosmología

Telescopios en la cara oculta de la Luna para iluminar la edad oscura del cosmos

Los futuros instrumentos que operarán desde la cara oculta de nuestro satélite podrían brindarnos una visión sin precedentes del universo primitivo.

Diversos proyectos pretenden estudiar las emisiones de radio del universo temprano desde la cara oculta de la Luna. [Estudio de Visualización Científica de la NASA]

La cara oculta de la Luna está a punto de convertirse en nuestra nueva y mejor ventana a la historia oculta del cosmos. En el transcurso del próximo decenio, los astrónomos prevén realizar observaciones sin precedentes del universo temprano desde esa singular atalaya lunar, empleando radiotelescopios transportados por una nueva generación de orbitadores y módulos de aterrizaje.

Esos instrumentos estudiarán los primeros 500 millones de años del universo, un período que incluye la llamada «edad oscura» (en torno a los 100 primeros millones de años), cuando aún no se habían formado las estrellas ni las galaxias. La ausencia de luz estelar hace que dicha era resulte inaccesible mediante observaciones en luz visible.

Sin embargo, los radiotelescopios podrían registrar las emisiones de radio de baja frecuencia y larga longitud de onda producidas por las enormes nubes de hidrógeno neutro que llenaban el universo por entonces. El problema es que detectar esas emisiones desde la Tierra es complicado (o directamente imposible) debido a nuestra atmósfera, que las bloquea o distorsiona, y al abundante ruido de radio generado por el hombre.

Los científicos llevan decenios soñando con realizar ese tipo de estudios desde la cara oculta de la Luna, donde la señal estaría a salvo de las transmisiones terrestres y no se vería perturbada por ninguna atmósfera significativa. Ahora que varias agencias espaciales están llevando a cabo misiones lunares, esos sueños parecen destinados a cumplirse.

Vista de la cara oculta de la Luna a partir de los datos del Orbitador de Reconocimiento Lunar de la NASA, lanzado en 2009. [<a href="https://svs.gsfc.nasa.gov/4109" target="_blank">Estudio de Visualización Científica del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA</a>]

«Si tuviera que diseñar un lugar ideal para hacer radioastronomía de baja frecuencia, construiría la Luna», afirma Jack Burns, astrofísico de la Universidad de Colorado en Boulder. «Por fin estamos llegando al punto en que vamos a poner esos telescopios en la Luna en los próximos años.»

El latido del hidrógeno

La idea de que los telescopios podrían detectar el hidrógeno neutro se remonta a los años 40 del siglo pasado, cuando el astrónomo holandés Hendrik Christoffel van de Hulst predijo que los átomos de hidrógeno pueden emitir radiación electromagnética de manera espontánea. Eso sucede porque cada átomo de hidrógeno puede oscilar entre dos estados de energía, y al hacerlo emite o absorbe radiación con una longitud de onda de 21 centímetros (o una frecuencia de 1420 megahercios). Tales emisiones constituyen el «latido» del hidrógeno y pueden dar lugar a señales detectables cuando se acumulan nubes de gas a escalas cósmicas.

Esas señales deberían haber aparecido por primera vez unos 380.000 años después de la gran explosión, cuando el universo se enfrió lo bastante como para que los protones y electrones que llenaban el espacio se unieran en átomos de hidrógeno. Además de formar la materia prima de la que más tarde surgiría todo lo que conocemos, ese evento tuvo el efecto añadido de hacer el universo transparente, permitiendo que la radiación fósil producida en la gran explosión fluyera a través del cosmos. Ahora vemos esa radiación como el fondo cósmico de microondas (CMB). A partir de entonces, el hidrógeno neutro impregnó el universo oscuro durante quizás 100 millones de años, hasta el «amanecer cósmico», cuando comenzaron a brillar las primeras estrellas y galaxias.

Los cosmólogos están interesados en la edad oscura porque ofrece un atisbo del universo cuando era relativamente prístino, sin efectos astrofísicos difíciles de interpretar. Por aquel entonces, la distribución del hidrógeno neutro aún llevaba las huellas de las fluctuaciones cuánticas primordiales (intensamente amplificadas por la rápida expansión del universo en las primeras fracciones de segundo de su existencia), antes de que las difuminara la aparición de estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias. Es posible que las señales de 21 centímetros de la edad oscura contengan indicios de nueva física o de desviaciones respecto al modelo cosmológico estándar. «Representan un campo de pruebas para la cosmología», señala Burns.

Los primeros radiotelescopios en la cara oculta de la Luna (y alrededor de ella) serán simples: recogerán poco más que vagos indicios de esa misteriosa y de otro modo invisible porción del tiempo cósmico. Pero a medida que entren en funcionamiento instrumentos más avanzados, las señales de 21 centímetros aparecerán con mayor detalle y permitirán a los astrónomos crear mapas dinámicos de alta resolución de las nubes de hidrógeno.

«Lo bueno del hidrógeno neutro es que no proporciona solo una instantánea, como el CMB», subraya Kristian Zarb Adami, de la Universidad de Oxford. Al investigar la señal de 21 centímetros a lo largo del tiempo, los telescopios pueden trazar la evolución del universo temprano a través de la edad oscura, hasta el amanecer cósmico e incluso más allá. Tras ese amanecer vino la reionización, la época en que la radiación de las primeras estrellas masivas y otros violentos fenómenos astrofísicos calentaron lo suficiente el hidrógeno neutro como para convertirlo de nuevo en plasma. Ese evento puso fin a la señal de 21 centímetros.

Pioneros de la cara oculta

Algunos instrumentos ya han comenzado a operar en la cara oculta de la Luna como parte del módulo de aterrizaje chino Chang'e-4 y el orbitador lunar Queqiao, que transmite sus señales a la Tierra. Queqiao se lanzó en mayo de 2018 y Chang'e-4 llegó a la superficie lunar en enero de 2019. «Esa fue la primera vez que se produjo un aterrizaje suave en la cara oculta de la Luna», apunta Bernard Foing, director ejecutivo del Grupo de Trabajo Internacional para la Exploración Lunar y científico planetario en la Universidad Libre de Ámsterdam. «Fue un gran éxito.»

Tanto Chang'e-4 como Queqiao poseen antenas de radio. Pero las de Queqiao solo están parcialmente desplegadas, mientras que la única antena de Chang'e-4 se ve afectada por la interferencia de radiofrecuencia (IRF) procedente de la electrónica del aterrizador. Las futuras naves lunares destinadas a explorar la edad oscura podrían incluir blindaje adicional para minimizar la IRF, y también desplegar múltiples antenas a lo largo de decenas o incluso cientos de kilómetros de la superficie lunar.

La próxima fase preparatoria para la astronomía desde la cara oculta comenzará con el lanzamiento del instrumento ROLSES en octubre de 2021. ROLSES viajará a la Luna en un módulo de aterrizaje de fabricación privada, aprobado por la NASA como parte de su programa de Servicios Comerciales de Transporte Lunar.

Recreación del módulo de aterrizaje Nova-C, que transportará el instrumento ROLSES a la cara visible de la Luna. [<a href="https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=IM-1-NOVA" target="_blank">Intuitive Machines</a>]

Aunque aterrizará en la región del océano de las Tormentas, en la cara visible de la Luna, la tarea de ROLSES de caracterizar la IRF que genera el suelo lunar es crucial para los proyectos que se desarrollarán en la cara oculta. «Esto es real», destaca Burns, que es miembro del equipo de ROLSES. «Llevo 35 años trabajando en ello, y ahora está ocurriendo de verdad.»

Otra misión para caracterizar la IRF en la superficie de la Luna, el Experimento de Electromagnetismo en la Superficie Lunar (LuSEE), tiene su lanzamiento programado para 2024. «LuSEE irá a la cara oculta», aclara Burns, «a la cuenca de impacto de Schrödinger».

El módulo de aterrizaje donde viajará LuSEE también podría transportar otro instrumento llamado DAPPER (Explorador Polarimétrico de la Edad Oscura), un telescopio para detectar la señal de 21 centímetros de la edad oscura del cosmos. «Originalmente, DAPPER se diseñó para ser un orbitador en torno a la Luna, pero podría acabar yendo en este módulo de aterrizaje», explica Burns. «La NASA nos ha financiado para trabajar en el concepto de la misión DAPPER. Estaremos preparados.»

Concepción artística del instrumento DAPPER. Aunque originalmente se diseñó para operar desde una órbita lunar, también podría ser que acabara haciéndolo desde la superficie. [<a href="https://public.nrao.edu/news/nrao-joins-space-mission-to-the-far-side-of-the-moon-to-explore-the-early-universe/" target="_blank">NRAO/AUI/NSF, Sophia Dagnello</a>]

Ya sea en órbita o sobre la superficie lunar, DAPPER se limitará a una serie de antenas dipolares ubicadas en un único lugar. Pero existen planes más ambiciosos para desplegar grandes conjuntos de antenas en la Luna. Tales conjuntos, que combinan las señales de antenas individuales repartidas en un área muy extensa, actúan como telescopios con una resolución mucho mayor de la que permitiría una sola antena y son capaces de localizar las fuentes en el cielo de manera eficaz.

Grandes conjuntos de antenas

Xuelei Chen, de los Observatorios Astronómicos Nacionales de la Academia China de las Ciencias, opina que, a corto plazo, la mejor opción para crear conjuntos de antenas que estudien la edad oscura desde la Luna es ponerlas en órbita. La idea sería configurar las antenas de varios satélites de modo que formen un conjunto que realice observaciones cuando todos los satélites estén en la cara oculta. «Se trata de un experimento pequeño, de coste moderado y factible con la tecnología actual», sostiene Chen.

El plan provisional prevé una flota de cinco a ocho satélites volando en una formación cuidadosamente coreografiada. Uno de los satélites sería una «nave nodriza» más grande, que albergaría la mayor parte de la electrónica necesaria para recibir y combinar las señales de los otros satélites y luego transmitir los resultados a la Tierra. «Nuestra idea es lanzarlos todos juntos y que se vayan desacoplando uno a uno», revela Chen.

Establecer un conjunto semejante en la superficie será mucho más difícil por diversas razones, entre ellas el terreno escarpado de la Luna y la amenaza que supone para los equipos el frío de la noche lunar, de 14 días de duración. Para comenzar a prepararse, el equipo de Foing planea ensayar el despliegue de antenas de radio usando róveres robóticos diseñados por el Centro Aeroespacial Alemán. La prueba tendrá lugar en junio en las laderas del Etna, que servirán como aproximación a la superficie lunar. Los róveres se controlarán a distancia y llevarán cuatro cajas de antenas. «Las colocaremos en distintas configuraciones, para demostrar que seremos capaces de hacerlo en la Luna en un futuro», adelanta Foing.

Otra forma de crear un conjunto de antenas de radio en la cara oculta de la Luna sería soltarlas desde un orbitador para que aterricen y se desplieguen donde caigan. Adami y sus colaboradores trabajan en un proyecto de este estilo: un interferómetro optimizado para captar emisiones de radio en un amplio rango de frecuencias, con 128 «miniestaciones» de tipo fractal. Cada una de ellas tiene ocho brazos, y cada brazo combina 16 antenas en espiral. «Mi idea sería que las estaciones se desprendieran del satélite y todas aterrizaran en diferentes partes de la superficie lunar», comenta Adami.

Para conseguir que el proceso sea lo más fiable posible, el equipo ha estudiado cómo imprimir esas antenas. «Podríamos imprimirlas tan rápido como los periódicos. Hemos puesto a prueba esta tecnología durante los últimos cuatro o cinco años», asevera Adami. «Estamos en vías de crear prototipos de esas antenas espirales.» El siguiente paso, añade, es que los científicos diseñen una miniestación y la dejen caer desde un dron en alguna zona remota, como una región árida de Australia Occidental, para ver si se despliega.

Concepción artística del conjunto de antenas FARSIDE. [<a href="https://www.colorado.edu/project/lunar-farside/" target="_blank">NASA/JPL-Caltech/Jack Burns, Universidad de Colorado en Boulder</a>]

Mientras tanto, Burns también codirige junto a Gregg Hallinan, del Instituto de Tecnología de California, un estudio de concepto financiado por la NASA para construir otro radiotelescopio lunar llamado FARSIDE. De cara al diseño, Burns y Hallinan se han asociado con el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. Los científicos buscan descargar cuatro róveres y 256 antenas (que sumarían cerca de 1,5 toneladas) usando aterrizadores lunares financiados por la NASA. Los róveres desplegarían las antenas (ligadas entre sí mediante cuerdas) en cuatro pétalos como los de una flor, sobre una región de 10 kilómetros de diámetro. «Es posible hacerlo con la tecnología actual», concluye Burns. «Así que todo esto parece perfectamente viable en algún momento de esta década.»

Anil Ananthaswamy

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