Cómo funcionan los telescopios: Telescopios ópticos, de radio y observatorios espaciales explicados

El trabajo básico de un telescopio es recopilar más radiación electromagnética de la que el ojo humano puede y enfocarlo. El diámetro del espejo principal, lente o antena de un telescopio —su abertura— establece dos cosas: cuánta luz débil puede recopilar y con qué finura puede separar detalles, según el Observatorio Nacional de Radioastronomía estadounidense (NRAO). Una abertura más grande significa que los objetos más débiles y distantes se vuelven visibles y las estructuras más finas entran en vista.

Telescopios ópticos: lentes, espejos y el problema de la atmósfera

Los telescopios ópticos clásicos recopilan luz visible con lentes (refractores) o espejos (reflectores). El Telescopio Espacial Hubble, por ejemplo, utiliza un diseño reflector: la luz golpea un espejo primario cóncavo de 2,4 metros, rebota hacia un espejo secundario más pequeño de aproximadamente 0,3 metros de ancho, y vuelve a través de un agujero en el espejo primario para llegar a los instrumentos científicos, según el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA. Esta configuración de dos espejos, llamada diseño de Ritchey-Chrétien, está construida para mantener las imágenes nítidas en un amplio campo de visión.

En el terreno, incluso los mejores sitios sufren de turbulencia atmosférica, que hace que las estrellas parpadeen y empaña detalles finos, según el Observatorio Europeo Austral (ESO), que opera el Telescopio Muy Grande en Chile. La solución de ESO es la óptica adaptativa: un sensor de frente de onda mide cómo se ha distorsionado la luz de una estrella, y un espejo deformable controlado por computadora corrige la distorsión en tiempo real. Cuando no hay una estrella natural brillante cerca del objetivo, ESO dispara un láser potente hacia la atmósfera superior para crear una estrella de referencia artificial. ESO dice que esta corrección puede hacer que las imágenes terrestres en longitudes de onda visible sean casi tan nítidas como las imágenes de telescopio espacial, a una fracción del costo de un telescopio espacial.

Por qué algunos telescopios tienen que abandonar la Tierra

La atmósfera terrestre no solo empaña las imágenes, sino que bloquea longitudes de onda completas. Según el sitio de educación astronómica Las Cumbres Observatory, la atmósfera absorbe o refleja la mayor parte de la luz ultravioleta, rayos X, rayos gamma y la mayoría de la radiación infrarroja, dejando pasar principalmente luz visible, algo de infrarrojo y partes del espectro de radio. Por eso los observatorios construidos para estudiar esas longitudes de onda bloqueadas —como el Observatorio Chandra enfocado en rayos X, el Telescopio Espacial Fermi de rayos gamma, y misiones infrarrojas como Spitzer y Herschel— tienen que orbitar sobre la atmósfera en lugar de estar en una cima de montaña.

Los telescopios de rayos X también necesitan un diseño óptico completamente diferente de los de luz visible. Según el Centro Chandra de Rayos X en el Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica, los fotones de rayos X son tan energéticos que pasan directamente a través de un espejo convencional apuntado hacia ellos de frente, mucho como una bala atravesaría una pared. La solución de Chandra es inclinar sus espejos para que los rayos X golpeen en un ángulo de incidencia rasante y reboten hacia el enfoque, similar a una piedra saltando sobre el agua. Chandra utiliza cuatro pares de espejos en forma de barril pulidos a una suavidad de pocos átomos y recubiertos de iridio, alineados dentro de aproximadamente 1,3 micrómetros —una pequeña fracción del ancho de un cabello humano, según el Centro Chandra de Rayos X.

Gigantes infrarrojos: ver a través del polvo y retroceder en el tiempo

El Telescopio Espacial James Webb (JWST) está construido para detectar luz desde el rojo visible hasta longitudes de onda del infrarrojo medio, cubriendo aproximadamente 0,6 a 28,8 micras, según la NASA. Su espejo primario abarca 6,6 metros en 18 segmentos hexagonales recubiertos de oro, dándole un área de recolección aproximadamente 5,6 veces mayor que la del Hubble. El oro fue elegido porque refleja la luz del rojo al infrarrojo medio especialmente bien. La NASA dice que esta combinación de tamaño y rango de longitud de onda permite que Webb detecte la débil luz infrarroja de galaxias a más de 13.500 millones de años luz de distancia, y esa luz infrarroja puede atravesar densos nubes de polvo que bloquean la mayor parte de la luz visible que los instrumentos de Hubble pueden detectar. Webb orbita el punto L2 Sol-Tierra, aproximadamente 1,5 millones de kilómetros de la Tierra, donde se mantiene alejado de los efectos cálidos y dispersores de luz del Sol y la Tierra.

Radiotelescopios: antenas parabólicas que actúan como un ojo gigante

Los radiotelescopios recopilan las longitudes de onda más largas de luz que los astrónomos utilizan, desde aproximadamente 1 milímetro hasta más de 10 metros, según NRAO. Cada antena tiene una antena parabólica que enfoca las ondas de radio entrantes en un receptor, que amplifica la señal para análisis —un proceso que NRAO describe como funcionando mucho como un telescopio óptico pero sintonizado a ondas mucho más débiles y mucho más largas. NRAO señala que las señales de radio estudiadas son extraordinariamente débiles —según su estimación, una señal típica de teléfono celular es aproximadamente mil millones de mil millones de veces más fuerte que las ondas de radio cósmica que estos telescopios detectan.

Un solo plato enfrenta un problema de resolución: porque la resolución angular depende de la longitud de onda dividida por el diámetro de la antena, y las longitudes de onda de radio son tan largas, incluso un plato grande como el Telescopio Green Bank no puede igualar el detalle fino de un telescopio óptico por sí solo, dice NRAO. La solución es la interferometría —vinculando muchas antenas parabólicas repartidas en largas distancias para que actúen como un telescopio mucho más grande. NRAO cita el Very Large Array, cuyos 27 platos activos (más uno de repuesto) en Nuevo México se pueden distribuir en configuraciones utilizando aproximadamente 40 millas de vías férreas, y el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), que vincula 66 platos en Chile, como ejemplos de este enfoque, utilizado para mapear galaxias, detectar agujeros negros y estudiar las estructuras cósmicas más antiguas.

Lo que revelan diferentes longitudes de onda

• Los telescopios de luz visible, terrestres o espaciales, capturan las estrellas, galaxias y nebulosas más cercanas a lo que el ojo humano vería.
• Los telescopios infrarrojos como Webb ven a través de nubes de polvo y pueden alcanzar algunas de las galaxias más distantes y antiguas conocidas, según la NASA.
• Los telescopios de rayos X como Chandra están construidos para estudiar estrellas explodidas, cúmulos de galaxias y materia arremolinándose alrededor de agujeros negros.
• Los arreglos de radiotelescopios como VLA y ALMA mapean gas frío, galaxias distantes y entornos de agujeros negros combinando muchas antenas parabólicas en un instrumento efectivo, según NRAO.