Adiós al telescopio espacial Spitzer

Por Daniel Marín

No todos los días se tiene que apagar un telescopio espacial porque ha funcionado mejor y durante más tiempo de lo previsto. Y eso es lo que le ha pasado al telescopio espacial Spitzer (SIRTF) de la NASA. El día 30 de enero de 2020 a las 22:30 UTC se recibió en el control de tierra la última señal del satélite. Spitzer se había «suicidado robóticamente» —o sea, se apagó a sí mismo— a las 22:15 UTC, pero, debido a la distancia que se encuentra de la Tierra, la señal tardó casi un cuarto de hora en llegar a nuestro planeta. Ya inactivo, Spitzer seguirá en órbita solar durante millones y millones de años y hasta es posible que en el futuro lo confundamos con algún asteroide cercano, como ha ocurrido con otros objetos lanzados por el ser humano que han pasado otra vez por las cercanías de la Tierra.

El telescopio espacial Spitzer (SIRTF) ya es historia (NASA).

Spitzer nació a principios de los años 70 como el proyecto SIRTF (Shuttle InfraRed Telescope Facility) —pronunciado sertif—, una propuesta de un grupo de investigadores del Centro Ames de la NASA liderado por Fred Witteborn. Como su nombre indica, el proyecto consistía originalmente en un telescopio infrarrojo que se llevaría en la bodega de carga del transbordador espacial durante algunas misiones. El telescopio no se pondría en órbita y permanecería en la bodega, regresando a la Tierra después de cada misión. La razón de esta decisión, aparentemente absurda, es que SIRTF era un telescopio infrarrojo. Para detectar este tipo de radiación electromagnética que emiten los cuerpos celestes, los telescopios infrarrojos deben estar refrigerados a temperaturas criogénicas. De no ser así, los sensores quedarían cegados por el «brillo» infrarrojo —o sea, el calor— emitido por el propio telescopio. Para lograr enfriar el telescopio por debajo de los 20 kelvin lo más sencillo es usar helio líquido, pero el problema es que el helio se termina calentando, limitando por tanto, la vida útil de un telescopio espacial infrarrojo de forma dramática.

Propuesta de principio de los 80 de SIRTF como plataforma de observación en el transbordador (NASA).

Una de las propuestas iniciales de 1971 que daría lugar a SIRTF (NASA).

Por ejemplo, el primer telescopio espacial infrarrojo, el IRAS (Infrared Astronomical Satellite), lanzado en enero 1983, apenas tuvo una vida útil de diez meses, precisamente hasta que se terminó el suministro de helio líquido. Sin embargo, IRAS revolucionó la astronomía moderna al mostrarnos por primera vez cómo era el todo el cielo en el infrarrojo (los observatorios terrestres solo pueden ver, en determinadas condiciones, el infrarrojo cercano, ya que el vapor de agua de nuestra atmósfera bloquea el resto de esta región del espectro). SIRTF compensaría el poco tiempo de observación continuado —unas dos semanas por misión— con la alta frecuencia de vuelos que, por entonces, se esperaba que tendría el shuttle. Primero se planeó usar un espejo primario de 1,5 metros de diámetro, aunque luego se rebajó a 1 metro.

Distintas propuestas de SIRTF de los años 70 (NASA).

En los años 70 hubo cierta polémica sobre si lanzar el telescopio acoplado a la bodega del transbordador o permitir que flotase libremente duramente durante la misión. Porque lo cierto es que el transbordador no era la mejor plataforma para observaciones astronómicas: las vibraciones, cambios continuos de posición y efecto del escape de los motores de maniobra conspiraban para crear un ambiente de trabajo poco recomendable. Pero una plataforma de vuelo libre era mucho más cara que una fija, así que al final se optó por mantener el telescopio dentro de la bodega de carga. Finalmente, en 1983 se decidió que SIRTF emplearía un espejo de 90 centímetros de diámetro que observaría en las longitudes de onda de 2 a 200 micras.

Diseño final de SIRTF de 1983 como telescopio situado en el transbordador espacial (NASA).

Pero justo cuando el diseño de SIRTF estaba casi finalizado se abrió la oportunidad de ampliar el proyecto para que fuese mucho más ambicioso. Efectivamente, en 1984 comenzó el proceso para reconvertir el telescopio en un satélite independiente del transbordador espacial como parte de la iniciativa de la NASA de crear diferentes Grandes Observatorios Espaciales: Hubble/HST (ultravioleta y visible), AXAF (rayos X) y GRO (rayos gamma), estos dos últimos conocidos posteriormente como Chandra y Compton. SIRTF pasaría a ser un cuarto telescopio espacial que cubriría las longitudes de onda del infrarrojo, fundamentales para desentrañar los procesos de formación estelar y planetaria, entre otros fenómenos astrofísicos. El nombre del telescopio también sufrió cambios y, aunque se mantuvo el acrónimo SIRTF, se sustituyó la referencia al transbordador. El observatorio sería ahora Space InfraRed Telescope Facility.

Diseño de SIRTF de 1990 (NASA).

Evolución del diseño de Spitzer/SIRTF de 1990 a 2003 (NASA).

La decisión de construir un observatorio independiente trajo consigo más retrasos y sobrecostes, puesto que el nuevo satélite no estaría listo antes de finales de los 90. En 1989 el proyecto pasó a estar a cargo del JPL y se decidió estudiar la posibilidad de lanzarlo mediante un cohete convencional (EELV) en vez del transbordador con el objetivo de reducir costes. Se pensó usar un cohete Titán IV de la USAF, pero este lanzador era demasiado caro, así que se rediseñó el telescopio para hacerlo más ligero (hasta en un 30%) y permitir así que despegase a bordo de un cohete Atlas, más barato. Pese a todo, el coste de SIRTF seguía siendo muy alto, de 1200 millones de dólares (de principios de los 90), más de la mitad del agujero negro que en su época fue el telescopio espacial Hubble (2000 millones de dólares de entonces). Una de las víctimas de la dieta de adelgazamiento de SIRTF fue el espejo primario, que pasó a tener un diámetro de 85 centímetros, 10 centímetros menos de lo planeado.

Diseño de SIRTF de finales de los 90 (NASA).

Reducción del tamaño de Spitzer/SIRTF gracias al uso de la refrigeración pasiva (NASA).

En 1992 también se tomó la decisión de lanzar el telescopio en órbita solar en vez de en una órbita terrestre muy alta. Paradójicamente, esto permitió aligerar aún más el telescopio, ya que, al estar lejos del calor de la Tierra —que podía llevar a alcanzar temperaturas de 23 ºC— la nave no tendría que transportar tantas reservas de helio para refrigerar la óptica. La temperatura de equilibrio en la nueva órbita sería significativamente menor, de solo -238 ºC (35 kelvin). Además, el campo de visión del telescopio aumentaría dramáticamente, aunque, por otro lado, las comunicaciones serían mucho más caras y lentas, puesto que ahora el observatorio debería usar la red de espacio profundo de la NASA (DSN). También se introdujo en el diseño una novedosa técnica de refrigeración pasiva que empleaba varias capas de material aislante para reducir la temperatura del detector sin necesidad de emplear tanto refrigerante. El propio panel solar —capaz de generar un mínimo de 400 vatios— serviría de escudo solar para enfriar el telescopio. De esta forma se pudo reducir la cantidad de helio, de cuatro toneladas a tan solo 920 kg.El espejo primario de Spitzer/SIRTF (Ball Aerospace).

Diseño final de SIRTF (NASA).

Gracias al uso de refrigeración pasiva, únicamente los instrumentos estarían dentro del criostato de helio a una temperatura de 1,5 kelvin. Una vez en órbita solar, el telescopio se enfriaría durante un mes hasta alcanzar la temperatura de equilibrio. El helio que se fuera evaporando del criostato se emplearía para bajar la temperatura de la óptica del telescopio hasta los 5,5 kelvin. Como comparación, el tanque de helio del IRAS y de las primeras versiones de SIRTF rodeaba tanto el telescopio como los instrumentos, por lo que se necesitaba —proporcionalmente— una mayor cantidad de refrigerante. En 1994 el proyecto se redujo todavía más de acuerdo con la nueva iniciativa «más rápido, mejor y más barato» del administrador de la NASA Dan Goldin. La masa del satélite pasó de 2460 kg a tan solo 750 kg, con unas reservas de helio 250 kg. Como contrapartida, la región del espectro a observar también se redujo a una banda de 3,6 a 160 micras. Este nuevo diseño permitió que SIRTF fuese lanzado en un Delta II, el cohete más barato que la NASA tenía en servicio. El coste total del programa no debía superar los 500 millones de dólares.

Criostato de Spitzer/SIRTF (NASA).

Partes de Spitzer/SIRTF en su diseño final (NASA).

Spitzer/SIRTF durante la construcción (NASA).

Este nuevo SIRTF «aligerado» era mucho más barato y eficiente, con un coste estimado de 450 millones de dólares (sin contar todo el dinero ya gastado en las versiones anteriores, claro). El diseño final de 1997 tendría una masa total de 865 kg y unas reservas de helio de 360 kg. Para cuando fue lanzado, la masa había aumentado a 923 kg, mientras que las dimensiones serían de 4,45 metros de largo y 2,1 metros de diámetro. El telescopio dispondría de tres instrumentos: IRAC (Infrared Array Camera) —una cámara para el infrarrojo cercano que trabajaba en cuatro canales de 3,6 a 8 micras—, IRS (Infrared Spectrograph) —un espectrógrafo infrarrojo— y MIPS (Multiband Imaging Photometer for Spitzer) —un fotómetro infrarrojo—. El instrumento estrella de cara al público era la cámara IRAC, que permitiría obtener imágenes en infrarrojo con una resolución jamás vista —diez veces mejor que IRAS— gracias al espejo primario de 85 centímetros construido en berilio. SIRTF usaría además dos volantes de inercia y propulsores de nitrógeno para apuntar a la zona del cielo deseada, mientras que la orientación contaría con la ayuda de dos sensores estelares. El contratista principal del satélite sería Lockheed-Martin, mientras que la óptica correría a cargo de Ball Aerospace.

Instrumentos de Spitzer/SIRTF (NASA).

Spitzer/SIRTF completo (NASA).

Durante el desarrollo aparecieron diversos problemas de construcción y de software que obligaron a posponer la fecha de lanzamiento de 2001 a 2003. Después de décadas de vicisitudes y cambios de diseño, SIRTF fue lanzado el 25 de agosto de 2003 a las 05:35 UTC desde Cabo Cañaveral mediante un Delta II 7920H, convirtiéndose así en el único de los cuatro Grandes Observatorios de la NASA que no usaría el transbordador espacial para alcanzar el espacio. Tras alcanzar su posición en órbita solar detrás de la Tierra y después de llevar a cabo las pruebas pertinentes, SIRTF comenzó sus observaciones científicas el 18 de diciembre de 2003. Ese mismo mes la NASA decidió bautizar el telescopio como Spitzer, en honor al físico estadounidense Lyman Spitzer, uno de los principales defensores de la astronomía espacial y una figura fundamental a la hora de sacar adelante una propuesta de telescopio espacial que, con el tiempo, se convertiría en el Hubble.

Spitzer/SIRTF antes del lanzamiento (NASA).

Lanzamiento de Spitzer/SIRTF (NASA).

Durante seis años Spitzer observó el cielo en infrarrojo ofreciendo imágenes y datos espectaculares que aún tardarán décadas en ser analizados. Como todo telescopio infrarrojo, Spitzer sufrió su primera muerte cuando se acabó el suministro de helio (el 15 de mayo de 2009). Sin embargo, gracias al uso de la refrigeración pasiva, Spitzer pudo seguir observando el infrarrojo cercano, aunque únicamente un instrumento siguió activo: la cámara IRAC, y solo en las bandas de 3,6 y 4,5 micras. Esta nueva fase de la misión recibió el nombre de «Misión Templada de Spitzer» (Spitzer Warm Mission).

La galaxia M81 vista por Spitzer (NASA).

La región del centro galáctico visto por Spitzer (NASA).

M104, la «galaxia del sombrero» (NASA).

La región de formación estelar Rho Ophiuchi (NASA).

M51 (NASA).

La nebulosa de Norteamérica (NASA).

No obstante, Spitzer siguió alejándose de la Tierra en su órbita solar. En 2016 dio comienzo la «Fase Más Allá» (Beyond Phase), durante la cual existía una alta probabilidad de que el telescopio dejase de funcionar. Pero no lo hizo. En 2019 las comunicaciones con la Tierra ya eran tan lentas y costosas que, simplemente, ya no valía la pena seguir operando el telescopio. Como consecuencia, la NASA decidió desactivar el observatorio espacial que se resistía a morir, aunque el plan inicial era esperar a que el telescopio James Webb estuviese activo antes de apagarlo. En estos más de dieciséis años de servicio Spitzer ha tomado cerca de 36,5 millones de imágenes y nos ha mostrado un Universo fascinante. Sus campos de estudio han sido, especialmente, las regiones de formación estelar, galaxias lejanas y, de forma sorprendente, los exoplanetas. Cuando se lanzó nadie esperaba que Spitzer pudiera ofrecer tantos datos directos sobre planetas extrasolares, pero así ha sido. El año que viene, el James Webb, con un espejo primario de más de seis metros y que solo empleará refrigeración pasiva, tomará el relevo de Spitzer para observar el cielo en infrarrojo. Claro está, siempre que su lanzamiento no se retrase todavía más, algo altamente probable.

Recordando el observatorio Spitzer (NASA).

Fuente:   danielmarin.naukas.com