Destellos en el ojo

El telescopio Webb es apenas el primero de la nueva generación que va a revolucionar la astronomía. Por un lado, se viene la era de los telescopios extremadamente grandes. Se encuentra muy avanzada la construcción de dos de ellos, el Extremely Large Telescope y del Giant Magellan Telescope, ambos en Chile. El Thirty Meters Telescope, en Hawaii, viene demorado por conflictos sociales. Todos estos son telescopios más o menos convencionales, similares a los que conocemos, sólo que muchísimo más grandes. Están diseñados para observar en profundidad pedacitos muy chiquitos de cielo, con enorme sensibilidad y resolución. Pero existe otra categoría: los telescopios de survey, que observan grandes porciones del cielo, y pueden hacerlo a gran velocidad. Su principal aplicación es en eventos transitorios inesperados (explosiones u objetos que se mueven rápido), que naturalmente se le escapan a los observatorios tradicionales. (Survey, en castellano, es lo que hacen los agrimensores; no sé si existe una traducción apropiada al español.) 

La Zwicky Transient Facility, con una cámara de 600 megapixels montada en un telescopio de 1.2 m, empezó a funcionar hace un par de años en Monte Palomar, y puede fotografiar el cielo septentrional entero cada 3 días, más el plano de la Vía Láctea dos veces por noche. La cantidad de datos que produce es inmensa, y su manejo es un desafío tecnológico. Aún así, es un poroto al lado del telescopio survey de 8 metros (¡f/1.23!) que está en construcción en Chile, el Telescopio Vera Rubin. Éste tendrá una cámara de 3.2 gigapixels, la cámara digital más grande jamás construída, para fotografiar un campo de 3.5 grados de ancho (7 lunas). 

Esta cámara tomará una exposición de 15 segundos cada 20 segundos (sí: moverán un telescopio de 8 metros en 5 segundos). Serán 200 mil imágenes por año, muchas más que las que pueden ser analizadas por seres humanos, así que su estudio será completamente automático, y es la parte más compleja de todo el proyecto. Las alertas que genere (¡cientos por segundo!) serán públicas inmediatamente.

El Rubin, la ZTF y otros surveys permitirán observar cómo cambia el cielo en una escala de días, no de meses o años como hasta ahora, y esto seguro será una revolución comparable a la de los telescopios extremadamente grandes. Peeeeero... Starlink.

Y no sólo Starlink: habrá pronto otras empresas que pondrán constelaciones de miles de satélites en órbita. La contaminación luminosa que a lo largo del siglo XX minó el recurso básico de la astronomía, el cielo nocturno, confinando los grandes observatorios a un puñado de sitios remotos, en el siglo XXI se traslada a la órbita terrestre y directamente cruza sus faroles frente al campo visual de los telescopios. Quevachaché.

Para cuantificar y mitigar eventualmente este nefasto efecto, que nadie se imaginó cuando se planificaron estos instrumentos hace no tantos años, hay ya una cantidad de estudios científicos. Muchos de ellos simulan lo que va a ocurrir, pero uno de ellos usa los datos que ya está produciendo la ZTF. Se concentra en eventos puntuales (no rayas, como la foto de arriba, sino destellos, producidos brevemente cuando los satélites giran y reflejan fugazmente la luz del Sol). Pueden confundirse con llamaradas de estrellas enanas rojas y eventos de microlentes gravitacionales, dos de los fenómenos que son de particular interés de los surveys. Estos destellos son más nefastos que las trazas porque, según dicen, éstas se pueden filtrar (pero lo que tapan, queda tapado, eh). Los destellos, por ser casi puntuales, son mucho más difíciles de identificar como artificiales y filtrar. Lo que encontraron es que hay unos 80 mil destellos por hora en todo el cielo, y que el 20% de los eventos transitorios observados son en realidad destellos de satélites, y no fenómenos astronómicos. Probaron varias técnicas para identificarlos, y están por todos lados en el cielo:

El telescopio Rubin, con su sensibilidad unas 10 veces mayor, se encontrará con un panorama todavía peor cuando empiece a observar el año que viene. Creo que no hay nada que hacer, más que lamentarse y aprovechar lo mejor que se pueda las observaciones, mejorando los sistemas de filtrado de señales artificiales. Llegará un momento, tal vez el próximo siglo, en que la astronomía profesional será imposible desde la superficie terrestre e incluso desde algunas órbitas, ya que el propio telescopio Hubble está empezando a ver satélites que se le cruzan delante:

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El telescopio Rubin se llamaba originalmente Large Synoptic Survey Telescope, LSST. Cuando se le dio un nombre definitivo, se mantuvo el acrónimo LSST para su principal proyecto, la Legacy Survey of Space and Time, que me parece un nombre buenísimo.

La foto nocturna del Telescopio Rubin en construcción es de Rubinobservatory.org.

La foto del modelo a escala natural del sensor CCD de la cámara del telescopio Rubin es de LSST Project/NSF/AURA (CC BY-SA).

La foto de Albireo cruzada por trazas de Starlink es de Rafael Schmall.

Las figuras de satélites identificados en 3 años de observación del ZTF es de Karpov and Peloton, The rate of satellite glints in ZTF and LSST sky surveys,

La foto del telescopio Hubble con una traza de satélite es de NASA/ESA/STScI.

Las lunas de la Tierra

―¡Es posible! ―exclamó Miguel Ardán―. ¿De modo 

que la Tierra tiene dos Lunas, como Neptuno?

―Sí, amigo mío, dos Lunas, aun cuando 

generalmente se cree que no tiene más que una. 

Julio Verne, Alrededor de la Luna

Hace pocos días supimos del descubrimiento de un nuevo satélite natural de la Tierra, una miniluna del tamaño de un auto. ¿Cómo es posible?, exclamaría Ardán. ¿Acaso la miniluna de Petit, a la que hace referencia Julio Verne en Alrededor de la Luna, existe? No, no. Se trata de un asteroide cuya órbita lo trajo suficientemente cerca y despacio, fue capturado y se encuentra desde hace 3 años en órbita de la Tierra. No va a durar mucho: la acción conjunta de la Tierra, la Luna y el Sol finalmente lo mandarán de paseo, como en los sistemas de muchos cuerpos que estudió Poincaré para ganar el "premio Oscar", según contamos hace poco.

El mundito, cuya designación de asteroide es 2020 CD3, no es el primero que se descubre haciendo estas volteretas. En el año 2006 otro pequeño asteroide (2006 RH120) también estuvo por algunos meses en órbita de la Tierra. Actualmente está del otro lado del Sol, pero volverá a pasar cerca y muy lentamente en 2028, y tal vez vuelva a ser capturado.

Así de raro como suena, parece que estas minilunas no son infrecuentes. Un estudio de 2011, con el fascinante título The population of natural Earth satellites, calcula que todo el tiempo hay uno de estos objetos, de al menos 1 metro de diámetro, orbitando la Tierra. Cada uno da aproximadamente 3 vueltas y, en el plazo de menos de 1 año, se aleja. O cae a la Tierra, porque estiman además que alrededor de 1 de cada 1000 meteoros que vemos impactar nuestro planeta se entretuvieron primero como "temporary captured objects". Sus órbitas son caprichosas (como en la figura), lejos de las prolijas elipses que siguen los satélites estables, naturales o artificiales, o los planetas mismos alrededor del Sol.

Existen muchas propuestas para traer muestras o incluso asteroides enteros a la órbita de la Tierra. ¿Por qué no aprovechar estos, que vienen solitos?

Hay más objetos con pretensiones lunares, ya los contaré otro día.

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La ilustración de la órbita de 2020 CD3 es de Wikipedia, usuario Tony873004. El óvalo blanco es la órbita de la Luna.

La otra figura muestra una órbita típica de una de estas minilunas transitorias, tomada de Granvik, Vaubaillon & Jedicke, The population of natural Earth satellites, Icarus 218:262-277 (2012).

El Cinturón de Clarke

La más sencilla de las fotografías astronómicas consiste en poner la cámara fija en un trípode y hacer una exposición prolongada, de varios minutos o más. Hoy en día también se pueden hacer múltiples exposiciones cortas y después ensamblarlas usando software. El efecto es el mismo: la rotación aparente del cielo hace que las estrellas se vuelvan trazas de luz. Los objetos extendidos, como la Vía Láctea y otras nebulosidades, no dejan trazas y la combinación es interesante. Es el efecto que se ve en esta foto del cielo estrellado sobre el río Ñirihuau. Los aficionados no tendrán dificultad en distinguir a los Punteros de la Cruz en las dos trazas brillantes de arriba a la izquierda, así como la Llama oscura de la Vía Láctea austral. Los más atentos notarán una bandita vertical junto a la Vía Láctea: es el cometa Lovejoy del 2011 (C/2011 W3). El paisaje, por supuesto, no se mueve, pero el río sí, y toma ese aspecto sedoso del agua en movimiento en las fotos de larga duración.

Si se hubiese cruzado un satélite artificial, o un meteoro, se los vería como una traza fuera de lugar, cruzando los arquitos circumpolares de las estrellas. Porque todo en el cielo se mueve... ¿Todo? ¡No! Hace poco se me ocurrió tratar de fotografiar lo único que permanece inmóvil en el cielo, resistiendo incluso la rotación de la Tierra. ¡Los satélites geoestacionarios!

Los planetas que se encuentran más cerca del Sol se mueven más rápido y los que están más lejos se mueven más lento, obedeciendo matemáticamente la Tercera Ley de Kepler. Del mismo modo los satélites artificiales orbitan a distinto ritmo según su altura. Los satélites en órbita baja (algunos cientos de kilómetros) dan una vuelta a la Tierra en lo que dura un partido del Mundial (primera ronda, sin alargue ni penales). Cuanto más altos, más lentos, como un marcador central. Los satélites del sistema GPS están a 20 mil kilómetros, y dan dos vueltas por día. Todavía más alto, a 35 mil kilómetros de altura un satélite tarda exactamente un día en completar un giro. Si se lo posiciona sobre el ecuador, permanece estacionario sobre el mismo punto de la Tierra. Es un satélite geoestacionario. El autor británico Arthur C. Clarke contribuyó a difundir la utilidad de esta órbita, particularmente para los satélites de comunicaciones, en un artículo publicado en 1945. La idea fundamental era que apenas tres satélites alcanzaban para proveer cobertura de radio global.

Hoy en día la órbita geoestacionaria está pobladísima, como puede verse en Stellarium si uno activa el plugin de satélites artificiales. Con justicia se llama este enjambre artificial cinturón de Clarke. Desde una latitud mediana austral como la de Bariloche no se lo ve exactamente en el ecuador celeste, por efecto de perspectiva, sino un poco corrido hacia el norte.

Si los satélites del cinturón de Clarke permanecen fijos con respecto a la Tierra, ¿sería posible verlos en una foto de larga exposición, diferenciándolos de las trazas estelares? Lo intenté y definitivamente se puede hacer. Reduje el tamaño de la foto para ponerla aquí, pero agregué recortes de los satélites al 100% que se vean mejor. Ocho hay en esta imagen de 10 grados de ancho tomada con un tele de 100 mm apuntando casi al norte desde Bariloche.

Este resultado no es el mejor posible, pero no está mal para empezar. Me gustaría hacerlo con alguna estrella bien brillante y reconocible a la declinación correcta. Betelgeuse, por ejemplo, o las cabezas poligonales de Cetus o Piscis, o Altair en el Águila, son las que están bien posicionadas para nuestra latitud. Así se verían los Arsat en Orión, por ejemplo:

Habrá que hacerlo.

No astronaut left behind

La Estación Espacial Internacional está en órbita de la Tierra, un recorrido casi circular a unos 350 km de altura. La estación se mantiene allí arriba no porque esté volando como un avión, con sus motores encendidos, sino porque está girando alrededor de la Tierra a gran velocidad, como la Luna. El viejo Newton ya lo explicó: si se lanza un proyectil horizontalmente con la velocidad suficiente, a medida que cae, la superficie de la Tierra se curva debajo de su trayectoria. Con la velocidad suficiente, el proyectil se mantiene permanentemente en "caída libre". ¡Eso es caer con estilo, sin dar nunca contra el suelo! En la época de Newton esto no era más que un "experimento pensado", un Gedankenexperiment como los llamaba Einstein, porque no existía una plataforma suficientemente alta para lanzar el proyectil por encima del efecto de la fricción del aire. Pero así es como "vuelan" hoy en día los satélites artificiales, como comentábamos hace poco en ocasión del lanzamiento del SAC-D.

350 km es bastante alto, nadie podría respirar allí arriba. Pero aún así hay un poquitititito de aire, y esa pequeñísima fricción le va haciendo perder velocidad, y por consiguiente altura, a la Estación. Lo mismo les pasa a todos los satélites artificiales en órbita baja, y por eso cada tanto nos enteramos de alguno que cae al terminar su vida útil (como el UARS y el Rosat hace pocos meses). En Heavens Above, un sitio donde puede consultarse la órbita de cualquier satélite, tienen este gráfico que muestra la evolución de la altura de la Estación. Se ve que, cada tanto, usan un cohete para darle un empujoncito. No vaya a ser que se caiga. Seguro que sobre Bariloche, este año, para colmo de males ;-)

Los astronautas a bordo de la Estación Espacial viven en un estado que comúnmente se llama de "ingravidez", pero que estrictamente se llama "caída libre", por la misma razón que dijimos arriba. Ellos mismos están en órbita alrededor de la Tierra junto con la Estación y con todo el equipo. Todos a la misma velocidad, en la misma órbita. De manera que pueden flotar lo más contentos mientras reflexionan sobre la Primera Ley de Newton: Un cuerpo en reposo permanece en reposo mientras no exista una fuerza externa neta actuando sobre él. El astronauta siente la gravedad de la Tierra y la fuerza centrífuga, que se compensan para mantenerlo en órbita, de manera que la fuerza neta es cero. Sin fuerza no hay aceleración, sin aceleración no hay peso. (Sí, dije centrífuga, que nadie se espante.)

Cuando prenden los cohetes para hacer subir la Estación, la fuerza neta sobre la Estación deja de ser cero, y por eso cambia de órbita. ¿Cómo sienten ésto los astronautas? En octubre pasado los astronautas de la Expedición 29 hicieron un video durante el encendido de los cohetes, que se puede ver en Youtube. Está buenísimo. Vean y después seguimos.



De golpe, la Estación no parece esa cámara de ingravidez que tantas veces vimos. Parece un pozo por el cual los astronautas están cayendo. Mientras el astronauta se mantiene agarrado de las paredes, la fuerza impartida por el cohete a la estación se transmite a su cuerpo, y él mismo cambia de órbita junto con la Estación. Pero cuando se suelta, la fuerza neta vuelve a ser cero: sólo la gravedad y la fuerza centrífuga, que con sus dedos invisibles siguen actuando sobre su cuerpo. Entonces él sigue en su propia órbita mientras la estación se acelera a su alrededor. Pero, desde el punto de vista del astronauta, él no siente que la estación se acelera hacia arriba. ¡Él siente que está cayendo dentro de la Estación! Es decir, siente peso. Un peso ligerísimo, como se puede ver, pero peso al fin. Entre el tiempo 0:50 y el 1:10 se ve al Sr. Furukawa recorrer la longitud del primer módulo, que parece medir unos 4 metros. Si recordamos del libro de Fernández y Galloni que x = 1/2 a t², y despejamos a, obtenemos a=0.02 m/s². Es decir, un quinientosavo de la aceleración de la gravedad en la superficie de la Tierra. Furukawa debe haber sentido como si pesara menos de un cuarto kilo.

El Principio de Equivalencia, que juega un rol fundamental en la Relatividad General, dice que los dos fenómenos son indistinguibles. Que es lo mismo estar parado en un campo gravitatorio o en una estación acelerándose. La masa gravitatoria y la masa inercial son la misma cosa. Se han hecho muchísimos experimentos delicadísimos para verificarlo, y siempre se ha encontrado esta equivalencia postulada por Einstein en 1915, que también fue un Gedankenexperiment en su época. Y que hoy en día los astronautas están acostumbrados a experimentar en sus propios cuerpos.

De la mecánica de Newton a la mecánica de Einstein. Además parece divertidísimo. Dan ganas de probarlo, realmente. Lástima que por ahora es un poco caro.

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Gracias a Phil Plait, ya que vi el video en su excelente blog BadAstronomy, que no me canso de recomendar. La foto y el video son de la NASA, obviously.

La Era de Acuario

Fue una semana intensa en Bariloche, con la erupción del Puyehue-Cordón Caulle y todos los trastornos que ha ocasionado. A partir de hoy este blog regresa a la normalidad: una nota por semana, los sábados, salvo erupciones, lluvias de meteoros, tormentas interplanetarias y choques de planetas en general.

Ayer, desde California, trepó a órbita el satélite SAC-D/Aquarius, made in Bariloche. Es el más grande y complejo de los satélites argentinos, y fue encargado por la NASA a la CONAE (la "NASA argentina"), quien a su vez contrató a la empresa barilochense de alta tecnología INVAP para su construcción. Tuve la suerte de ver al SAC-D cuando había terminado su construcción, y me impresionó su tamaño. Ayer esta joyita de la ingeniería argentina se portó como esperábamos: 57 minutos después del despegue el cohete Delta II lo dejó libre. SAC-D abrió sus paneles solares como brazos, se desperezó y encendió sus sistemas.

Mi amiga Laura García, periodista acreditada para participar en la fiesta de lanzamiento en INVAP, tuvo la generosidad de llevarme con ella como fotógrafo, nada menos. How cool is that? Así que allí estuve, festejando con la gente de INVAP, muchos de ellos viejos amigos del Balseiro. Estuvo buenísimo. Hubo una fiesta gigantesca en el salón comedor, desde donde seguimos las distintas etapas del lanzamiento. Después unos pocos privilegiados visitamos la sala desde donde los especialistas en datos estuvieron en contacto directo con el satélite, recibiendo los primeros datos de verificación de sistemas mientras los diversos equipos e instrumentos se preparan para ponerse a trabajar.  En la foto se ve el festejo de una de estas etapas.

Dije que el cohete dejó libre al satélite. ¿Cómo es eso? ¿Cómo vuela un satélite si no tiene un cohete que lo impulsa? ¿No se cae? ¿Eh?

Bueno, la verdad es que un satélite se cae todo el tiempo. Eso es lo que ocurre cuando uno está en órbita: cae libremente. Lo que pasa es que tiene además tanta velocidad "de costado" que a medida que cae la Tierra se curva debajo de uno, y no se termina de llegar a la superficie. Una caída con clase: uno está en órbita.

¿Curioso, no? El primero que se dio cuenta de esto no fue un ingeniero de la NASA, sino uno de los fundadores de la ciencia moderna, Isaac Newton, hace 300 años. Sentado debajo del tatarabuelo de este manzano que tenemos en Bariloche tuvo una idea genial: ¿y si la fuerza que hace que se caigan estas manzanas, y la fuerza que hace que la Luna no se caiga, fueran una y la misma fuerza? Newton formuló matemáticamente la ley de gravitación universal, que explica precisamente esta unificación conceptual de dos fenómenos que son aparentemente distintos. Fue una de las primeras unificaciones que tapizan el camino de la ciencia natural hasta nuestros días.

El propio Newton, en su tratado sobre la gravitación, explica cómo funciona este asunto. Esta es la página correspondiente, con una ilustración perfectamente entendible. Vemos la Tierra con una gran montaña, indicada V (nada que ver con volcán, ¡por favor!). Desde la cima de la montaña uno dispara un proyectil, un cañonazo digamos, en dirección horizontal. Si la velocidad no es muy grande, el proyectil describirá una parábola y caerá a Tierra, digamos en el punto D. Si la velocidad es mayor, llegará más lejos, por ejemplo a E. Ya vemos lo que pasa: como decía antes, la Tierra se curva debajo de la trayectoria del proyectil. La superficie donde éste debería caer se escabulle al tiempo que cae. Más rápido: llega hasta F. Más todavía: ¡llega hasta G! Finalmente, si la velocidad es suficientemente grande, la trayectoria se cierra sobre sí misma y el proyectil regresa a la cima de la montaña. En palabras de Don Isaac (en el párrafo justo debajo de la figura):

If the velocity was still more and more augmented, it would reach at last quite beyond the circumference of the earth, and return to the mountain from which it was projected.

¿Por qué desde una montaña alta? ¿Por qué no desde la superficie a nivel del mar? Newton ejemplificó esto con una montaña alta porque es crucial, para que funcione, que la fricción con el aire no frene al proyectil. El aire enrarecido de la cima de una montaña es una aproximación del vacío del espacio exterior, un concepto poco familiar en el siglo XVII. En la Tierra no hay montañas tan altas desde las cuales se pueda poner en órbita un satélite de esta manera: los satélites más bajos están por lo menos a 160 km de altura, para que la fricción con el aire no los haga caer demasiado rápido. El SAC-D está a 600 km de altura (lo cual también se considera una órbita "baja"). En lugar de una montaña, los rocket scientists del siglo XX decidieron que había que usar un cohete: la primera etapa del cohete sube y sube (como si fuera la montaña) y la segunda etapa acelera al proyectil lateralmente, poniéndolo en órbita (grosso modo, ya que en realidad las dos etapas participan en el ascenso y la puesta en órbita). Hoy, en INVAP, la gente discutía con estos papelitos en la mano durante los largos 57 minutos del ascenso, a ver por dónde andaba al satélite...

Bonus: ¿Qué usan para visualizar la posición del SAC-D en su órbita? ¡Celestia! No quise interrumpirlos en su celebración: para ellos yo era un fotógrafo, no un activo miembro de la comunidad del mejor simulador del universo. Pero voy a tratar de averiguar de qué manera están usando Celestia en INVAP...

OVNIS

¿Por qué los astrónomos no avistan OVNIs? Más específicamente: ¿por que los astrónomos aficionados no avistamos OVNIs? Después de todo, pasamos más tiempo mirando el cielo que el común de los mortales. Mirando y fotografiando. De noche y de día. Y observando con atención. Entonces ¿por qué?