Cómo la radioastronomía puso nuevos ojos en el cosmos

Uno solo puede imaginar lo que pensaron los vecinos de Grote Reber cuando, en 1937, el entusiasta de la radioafición erigió en su jardín un cuenco poco profundo de láminas de metal de casi 10 metros de ancho, encaramado sobre un andamio ajustable y coronado por una pirámide abierta de torres desgarbadas. Poco podían haber sabido sus vecinos que estaban presenciando el nacimiento de una nueva forma de ver el cosmos.

Reber estaba construyendo el primer radiotelescopio dedicado del mundo. A diferencia de los telescopios tradicionales, que usan lentes o espejos para enfocar la luz visible, este artilugio usaba metal y circuitos para recolectar ondas de radio interestelares, ondas de baja frecuencia de radiación electromagnética. Con su dispositivo casero, Reber hizo el primer mapa del cielo visto con ojos sensibles a la radio y dio inicio al campo de la radioastronomía.

«La radioastronomía es tan fundamental para nuestra comprensión del universo como … la astronomía óptica», dice Karen O’Neil, directora del sitio en el Observatorio Green Bank en Virginia Occidental. «Si queremos entender el universo, realmente necesitamos asegurarnos de tener tantos tipos diferentes de ojos en el universo como sea posible».

Cuando los astrónomos hablan de ondas de radio del espacio, no se refieren (necesariamente) a transmisiones extraterrestres. Más a menudo, están interesados ​​en la luz de baja energía que puede surgir cuando las moléculas cambian su rotación, por ejemplo, o cuando los electrones giran dentro de un campo magnético. Sintonizar las ondas de radio interestelares por primera vez fue similar a como Galileo apuntó con un catalejo modificado a las estrellas siglos antes: podíamos ver cosas en el cielo que nunca antes habíamos visto.

Hoy, la radioastronomía es una empresa global. Más de 100 radiotelescopios, desde antenas de araña agachadas en el suelo hasta versiones de gran tamaño del plato de Reber que se extienden por cientos de metros, salpican el mundo. Estos ojos en el cielo han cambiado tanto las reglas del juego que han estado en el centro de nada menos que tres premios Nobel.

Nada mal para un campo que empezó por accidente.

A principios de la década de 1930, un ingeniero de Bell Telephone Laboratories llamado Karl Jansky estaba rastreando fuentes de ondas de radio que interferían con la comunicación inalámbrica. Se topó con un silbido procedente de algún lugar de la constelación de Sagitario, en dirección al centro de la galaxia.

Karl Jansky, que se muestra aquí con su antena de radio giratoria, tropezó con un siseo de radio proveniente de la dirección del centro de la galaxia, que marca los inicios de la radioastronomía.NRAO, AUI, NSF, Jeff Hellerman

“El descubrimiento básico de que había radiación de radio proveniente del espacio interestelar confundió la teoría”, dice el astrónomo Jay Lockman, también de Green Bank. «No había forma conocida de conseguir eso».

Bell Labs llevó a Jansky a otras actividades más terrenales. Pero Reber, fanático de todo lo relacionado con la radio, leyó sobre el descubrimiento de Jansky y quiso saber más. Nadie había construido un radiotelescopio antes, por lo que Reber lo descubrió por sí mismo, basando su diseño en los principios utilizados para enfocar la luz visible en los visores ópticos. Mejoró la antena de Jansky – un montón de tubos de metal sostenidos por un caballete de madera pivotante – y diseñó un plato metálico parabólico para enfocar las ondas de radio entrantes a un punto, donde un amplificador aumentaba la señal débil. Todo el artilugio estaba sobre una base de madera inclinable que le permitía explorar el cielo moviendo el telescopio hacia arriba y hacia abajo. El mismo diseño básico se utiliza hoy en día para los radiotelescopios de todo el mundo.

Durante casi una década, gracias en parte a la Gran Depresión y la Segunda Guerra Mundial, Reber estuvo en gran parte solo. El campo no prosperó hasta después de la guerra, con una cosecha de científicos rebosantes de nueva experiencia en radio gracias al diseño de sistemas de radar. Las sorpresas han venido desde entonces.

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Grote Reber erigió el primer radiotelescopio dedicado del mundo, que se muestra aquí, en su patio en Wheaton, Ill.GBO, NSF, AUI

“El descubrimiento de moléculas interestelares, eso es grande”, dice Lisa Young, astrónoma de New Mexico Tech en Socorro. Los radiotelescopios son muy adecuados para observar las densas y frías nubes donde residen las moléculas y detectar la radiación emitida cuando pierden energía de rotación. Hoy en día, la lista de moléculas interestelares identificadas incluye muchos compuestos orgánicos complejos, incluidos algunos que se cree que son precursores de la vida.

Los radiotelescopios también revelaron objetos antes inimaginables. Los quásares, los núcleos en llamas de galaxias remotas alimentadas por gigantescos agujeros negros, aparecieron por primera vez en mapas de radio detallados de finales de la década de 1950. Los púlsares, los núcleos giratorios ultradensos de las estrellas muertas, se dieron a conocer en 1967 cuando Jocelyn Bell Burnell notó que el conjunto de antenas de radio que ayudó a construir estaba recibiendo un pitido … un pitido … un pitido constante desde el espacio profundo cada 1,3 segundos. (Ella fue pasada por alto cuando el Premio Nobel de Física de 1974 honró este descubrimiento; su asesor obtuvo el reconocimiento. Pero recibió un galardón en 2018, cuando recibió un Premio Especial de Avance en Física Fundamental).

Los púlsares “no solo son interesantes por ser un descubrimiento en sí mismos”, dice Lockman. «Se están utilizando ahora para hacer pruebas de relatividad general y detectar ondas gravitacionales». Eso es porque cualquier cosa que empuje a un púlsar, digamos, una onda pasajera en el espacio-tiempo, se altera cuando sus latidos de radio ultraprecisos llegan a la Tierra. A principios de la década de 1990, tales variaciones de tiempo de un púlsar llevaron al primer descubrimiento confirmado de planetas fuera del sistema solar.

Más recientemente, breves explosiones de energía de radio principalmente de otras galaxias han captado la atención de los astrónomos. Descubierto en 2007, las causas de estas «ráfagas de radio rápidas» aún se desconocen. Pero ya son sondas útiles de la materia entre galaxias. La luz de estas erupciones codifica las firmas de los átomos encontrados mientras se dirigían a la Tierra, lo que permite a los astrónomos rastrear mucha materia que pensaban que debería estar en el cosmos pero que aún no habían encontrado. «Eso fue lo que nos permitió sopesar el universo y comprender dónde está la materia que falta», dice Dan Werthimer, astrónomo de la Universidad de California, Berkeley.

Y fue una antena de radio la que, en 1964, dio el mayor impulso a la entonces incipiente teoría del Big Bang. Arno Penzias y Robert Wilson, ingenieros de Bell Labs, se vieron obstaculizados por un silbido persistente en la antena del tamaño de una casa, en forma de cuerno, que estaban reutilizando para radioastronomía. El culpable fue la radiación que impregna todo el espacio, que quedó atrás de una época en la que el universo era mucho más caliente y denso de lo que es hoy. Este «fondo cósmico de microondas», llamado así por las frecuencias relativamente altas en las que es más fuerte, sigue siendo la ventana más clara que tienen los astrónomos hacia el universo primitivo.

Los radiotelescopios tienen otro superpoder. Múltiples antenas de radio conectadas entre sí a través de los continentes pueden actuar como un enorme observatorio, con la capacidad de ver detalles mucho más finos que cualquiera de esas antenas actuando solo. La construcción de un ojo de radio tan ancho como el planeta, el Event Horizon Telescope, llevó a la primera imagen de un agujero negro.

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El Event Horizon Telescope, una red internacional de observatorios de radio, tomó esta primera imagen de un agujero negro, en el centro de la galaxia M87.Colaboración de Event Horizon Telescope et al

«No es que nadie necesitara una prueba de la existencia [of black holes]», Dice Young,» pero hay algo tan maravilloso en poder verlo «.

La lista de descubrimientos continúa: las galaxias del universo temprano que están completamente envueltas en polvo y, por lo tanto, no emiten luz de estrellas, aún brillan intensamente en las imágenes de radio. Los anillos de gas y polvo que rodean a las estrellas jóvenes proporcionan detalles sobre la formación de planetas. La información sobre asteroides y planetas de nuestro sistema solar se puede obtener haciendo rebotar ondas de radio en sus superficies.

Y, por supuesto, está la búsqueda de inteligencia extraterrestre, o SETI. “La radio es probablemente el lugar más probable donde respondamos a la pregunta: ‘¿Estamos solos?’”, Dice Werthimer.

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La red de radiotelescopios ALMA en el desierto de Atacama en Chile capturó esta imagen de lo que parece ser un disco de formación de planetas alrededor de la joven estrella HL Tauri.ESO, NAOJ, NRAO

Ese sentimiento se remonta a más de un siglo. En 1899, el inventor Nikola Tesla captó señales de radio que pensó que provenían de personas de otro planeta. Y durante 36 horas en agosto de 1924, Estados Unidos ordenó a todos los transmisores de radio en silencio durante cinco minutos cada hora para escuchar las transmisiones de Marte mientras la Tierra lamía el Planeta Rojo a una distancia relativamente cercana. El campo se hizo más oficial inicio en 1960 cuando el astrónomo Frank Drake apuntó con el radiotelescopio original de Green Bank a las estrellas Tau Ceti y Epsilon Eridani, por si acaso alguien estaba transmitiendo.

Si bien SETI ha tenido sus altibajos, «hay una especie de renacimiento», dice Werthimer. «Hay muchos jóvenes nuevos que ingresan a SETI … y hay dinero nuevo». En 2015, el empresario Yuri Milner prometió $ 100 millones durante 10 años para la búsqueda de otros residentes de nuestro universo.

Aunque el colapso del Observatorio gigante de Arecibo en 2020, con 305 metros de diámetro, fue el radiotelescopio de plato único más grande durante la mayor parte de su vida, fue trágico e inesperado, los radioastrónomos tienen nuevas instalaciones en proceso. La matriz de kilómetros cuadrados, que conectará pequeños platos de radio y antenas en Australia y Sudáfrica cuando se complete a fines de la década de 2020, probará la aceleración de la expansión del universo, buscará signos de vida y explorará las condiciones del amanecer cósmico. “Veremos las firmas de las primeras estructuras del universo formando las primeras galaxias y estrellas”, dice Werthimer.

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Square Kilometer Array conectará antenas y antenas de radio en Sudáfrica y Australia, ofreciendo una mirada sin precedentes al universo.Observatorio SKA

Pero si la historia de la radioastronomía sirve de guía, los descubrimientos más notables por venir serán las cosas que nadie pensó en buscar. Gran parte del campo está marcado por la casualidad, señala Werthimer. Incluso la radioastronomía como campo comenzó de manera fortuita. «Si construyes algo para mirar en un lugar que nadie ha mirado antes», dice, «harás descubrimientos interesantes».

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