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24 de junio de 2019

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Infrarrojo a la vista (I)

07/11/2002

Los grandes descubrimientos del cosmos se harán, sin duda, en el infrarrojo. Y el Gran Telescopio CANARIAS (GTC) se está preparando para ello: EMIR, uno de sus instrumentos, supera el reto tecnológico.

El rango de luz que pueden ver nuestros ojos es tan estrecho, que se nos escapan muchos detalles. De ahí que sea necesario ver más allá para saber qué hay detrás de los misterios del Universo. A lo largo de la historia, aquellos fenómenos que no podemos ver han sido el motor del desarrollo: las ondas de radio, los rayos X, los infrarrojos... Todo es una parte de la luz: esa que no vemos.

Mirar y no ver: la preocupación de los científicos que intuían que allí arriba, en las estrellas, en el cielo que nuestros ojos sólo ven negro, había objetos que podían informarnos, molécula a molécula, del lugar y el momento de donde venimos, de aquel estallido que creó, en un galimatías de combinaciones químicas, lo que hoy conocemos como vida.

Ocurrió hace miles de millones de años: la conocida teoría del Big Bang habla de una tremenda explosión que duró mucho menos que décimas de segundo, de una expansión de gases, fuego y materia que creó todo lo que hoy alcanzan a ver nuestros ojos y nuestros instrumentos. Pero, ¿qué más hay ahí arriba? Y lo más interesante: ¿podemos verlo?

El poder de lo invisible

Existen otras formas de "luz" que no podemos ver a simple vista, pero que podemos detectar y estudiar con la instrumentación adecuada. Hasta hace dos siglos desconocíamos por completo la existencia de otra luz que no fuera la que pueden ver nuestros ojos. Pero al descubrir que, más allá de lo que vemos, hay una radiación electromagnética compuesta por fotones que actúan en diferentes longitudes de onda, todas las leyes de la física se vieron revolucionadas.

Se descubrieron las ondas de radio, utilizadas en comunicaciones; las microondas, utilizadas en sistemas de radar y en nuestra vida doméstica; la luz ultravioleta, que activa la melanina en la piel; los rayos X, utilizados en medicina; los rayos gamma, ondas de energía que, al igual que los rayos X y los ultravioleta, pueden dañar los tejidos humanos; y el infrarrojo, que aparece como calor.

Los rayos infrarrojos se utilizan comúnmente en nuestra vida cotidiana: encendemos el televisor y cambiamos de canal con nuestro mando a distancia; en el supermercado, nuestros productos se identifican con la lectura de los códigos de barras; vemos y escuchamos los discos compactos... todo, gracias a los infrarrojos. Estas son sólo algunas de las aplicaciones más simples, ya que se utilizan también en sistemas de seguridad, estudios oceánicos, medicina, etc.

Pero, para la Astrofísica, estudiar en el infrarrojo tiene un significado especial. Esta "luz invisible" trae consigo valiosa información de los objetos que queremos investigar, como, por ejemplo, qué compuestos químicos los integran. Asimismo, existen objetos que emiten la mayoría de su energía en esos rangos "invisibles" y que habrían permanecido ocultos de no haber descubierto la existencia de esa "nueva luz". Esto es particularmente cierto en objetos que se encuentran a grandes distancias o escondidos tras grandes masas de polvo que bloquean su radiación visible, pero no la infrarroja.

Infrarrojos... para qué os quiero

EMIR es el nombre de un ambicioso instrumento que se instalará en el Gran Telescopio CANARIAS (GTC) alrededor del año 2006. Su intención es llegar a "ver", en el rango del infrarrojo, objetos difíciles de detectar en el rango visible (el rango que detectan nuestros ojos). Con EMIR podremos distinguir galaxias débiles, estrellas poco masivas, objetos estelares jóvenes, enanas marrones... en general, objetos que, al no tener las reacciones termonucleares típicas de una estrella, por su debilidad o porque permanecen ocultos tras nubes de gas y polvo, sólo pueden estudiarse en el infrarrojo.

Además hemos de tener en cuenta un fenómeno interesante: el corrimiento de la luz o efecto Doppler. En el caso del rango visible, por ejemplo, debido al alejamiento de la fuente de luz, la longitud de onda aumenta, desviándose hacia la parte roja del espectro electromagnético. Este efecto, denominado "corrimiento al rojo", hace necesario estudiar en el infrarrojo objetos que, si no estuvieran alejados, podrían observarse en el visible.

Instrumentos para grandes telescopios

El Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) lidera el equipo que está diseñando y construyendo este instrumento de segunda generación para el GTC. Con el fin de conocer un poco más de EMIR, hemos partido de lo esencial, del ojo del instrumento: el detector.

Si en una cámara fotográfica comparamos la parte óptica que controla la cantidad entrante de luz con las partes del ojo que ejercen estas mismas funciones, la película o detector sería el equivalente a la retina: la parte que recoge la luz y la analiza. En el ojo humano, la luz atraviesa la córnea, el iris, la pupila y el cristalino y llega a la retina, que la transforma en señales nerviosas que el cerebro puede entender. Procesa la luz con células especiales llamadas bastones (que comprueban las formas y el movimiento) y conos (que perciben el color).

Un detector es algo parecido a la retina. Se trata de un dispositivo compuesto de un determinado material sensible a la luz que libera electrones al entrar en contacto con los fotones (partículas de luz) y los almacena en el denominado "pozo de electrones". Luego, nosotros lo transformamos en señales eléctricas que traducimos y analizamos.

Estos dispositivos electrónicos cuentan con una estructura de células sensibles a la luz denominadas píxeles: cada píxel tiene unas dimensiones del orden de unas diez veces la milésima parte de un milímetro. En el rango visible, se utilizan mayoritariamente detectores del tipo CCD (siglas de Charge Coupled Device, dispositivo de carga acoplada), en los que cada píxel puede traspasar los electrones que recoge al píxel contiguo, y así sucesiva y ordenadamente hasta que la carga del último píxel ya ha sido leída y cuantificada por un amplificador situado a la salida del detector (en el infrarrojo, cada píxel lleva su propio mini-amplificador que lee directamente la carga almacenada, lo que complica extraordinariamente la electrónica asociada al detector). Después se transforma la electricidad en datos digitales, que son enviados al ordenador. La imagen está lista para ser tratada.

El misterio aquí depende de los materiales utilizados para la construcción del detector. Pero eso será en nuestra próxima entrega.

Natalia R. Zelman

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