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ÓPTICA ADAPTATIVA EN EL GTC

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Fig. 1. El planeta Neptuno observado con el telescopio Keck, de 10 m de espejo primario, en la banda de metano. A la izquierda, la imagen obtenida con el sistema de óptica adaptativa. A la derecha, imagen sin corregir. El color es falso.

La óptica adaptativa es una técnica que permite, mediante el uso de óptica deformable, corregir gran parte de los defectos introducidos por la atmósfera terrestre en las imágenes observadas con un telescopio. Conscientes de la importancia que la comunidad astronómica concede a esta técnica, el Gran Telescopio Canarias (GTC) ha incluido en su diseño un sistema de óptica adaptativa que estará operativo en el año 2005. En este artículo, el Director Científico del GTC, José Miguel Rodríguez Espinosa, justifica la importancia de un programa de desarrollo de óptica adaptativa para este telescopio.

JOSÉ MIGUEL RODRÍGUEZ ESPINOSA
(Director Científico del GTC)

La óptica adaptativa es una técnica que permite corregir las perturbaciones más importantes que sufren las imágenes astronómicas debido a la atmósfera terrestre. Con este sistema es posible obtener imágenes más nítidas, o como decimos los astrónomos, de mejor resolución espacial. La diferencia que introduce esta técnica es comparable a la que existe entre mirar un objeto situado en el fondo de una piscina con agua o sin agua.

De la importancia para la investigación astronómica habla el hecho de que todos los telescopios u observatorios con telescopios mayores de 4 metros han desarrollado o están desarrollando sistemas de óptica adaptativa adecuados a sus necesidades.

El Comité Científico Asesor del GTC, consciente de las grandes ventajas que esta técnica supondrá para la astronomía, recomendó la adopción, posteriormente aprobada por el Consejo de Administración de GRANTECAN, de un programa que dotara al GTC de un sistema de óptica adaptativa de alto nivel, lo que contribuirá una mayor proyección de este telescopio en el plano internacional. Dado que la puesta en operación de un sistema de óptica adaptativa es un reto tecnológico que puede llevar del orden de cinco años, el diseño conceptual del sistema de óptica adaptativa se ha de realizar a lo largo de este año, para tener un sistema operativo a finales de 2005.

Ventajas para la astronomía

Las posibilidades que la óptica adaptativa ofrece a la astronomía son espectaculares. Eliminar las perturbaciones producidas por la atmósfera equivale esencialmente a observar desde el espacio.

Las perturbaciones atmosféricas causan una pérdida en nitidez o resolución espacial. Esta pérdida se traduce, por un lado, en una disminuida capacidad para resolver objetos, es decir, para realizar estudios detallados de su morfología. Por otro lado, influye también en la capacidad de detectar objetos débiles, dado que la imagen se dispersa en puntos de luz mayores.

7.gif (28742 bytes)Fig. 2. Imagen de la estrella HD 216210 en la banda K (2.2 mm), corregida con óptica adaptativa a la izquierda y sin corregir a la derecha. Nótese como la energía es distribuida en un área mayor del detector en el caso de la imagen sin corregir, lo que impediría por ejemplo observar objetos débiles (¿planetas?) que pudiesen estar cercanos a la estrella principal.

En efecto, debido a las perturbaciones atmosféricas, la energía procedente de cada punto luminoso de un objeto astronómico se distribuye en un área sobre el detector que es tanto más grande cuanto peor es el estado de la atmósfera. Ganar nitidez en las imágenes significa concentrar en un menor número de puntos sensibles del detector los pocos fotones que nos llegan de los objetos débiles o lejanos; por tanto, la probabilidad de verlos es mayor.

Las figuras que acompañan a este texto muestran la importancia de la capacidad de resolver objetos espacialmente, y no sólo en astronomía sino en muchas otras áreas del saber.

El estudio de los planetas de nuestro sistema solar es un campo que se ve claramente favorecido por el aumento de resolución espacial que proporciona la óptica adaptativa. Estudios de la actividad atmosférica de los planetas gigantes, de gran importancia para entender su evolución, serán posibles con esta técnica.

La mejora que introduce la óptica adaptativa se puede cuantificar utilizando la relación entre el tamaño del telescopio y el tamaño de la mejor imagen que puede obtener. El poder de detección de un telescopio aumenta con el diámetro de su espejo primario y disminuye con el tamaño de la imagen que forma de un objeto puntual (de aquí la importancia de la calidad de imagen en un telescopio). Por tanto, la diferencia con un mismo espejo de 10 metros, entre conseguir enfocar imágenes de 0.4 segundos de arco (lo posible en una noche de visibilidad excelente) y una imagen de 0.04 segundos de arco, que debe ser posible con un sistema de óptica adaptativa, equivaldría a tener un espejo primario de 100 metros. De ahí que, como decíamos al principio, la mayor parte de los observatorios y telescopios importantes o bien ya disponen de un sistema propio de óptica adaptativa o bien están trabajando en ello.

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Fig. 3. En la imagen superior, el centro de la Vía Láctea en 2.2 micras visto con el Keck. Nótese cómo en la zona del recuadro que coincide con el centro mismo de la Galaxia no se aprecia ninguna estrella. En la imagen inferior, la misma zona, esta vez observada con el sistema de óptica adaptativa del Keck. Puede apreciarse la gran cantidad de información presente en esta imagen en comparación con la imagen anterior, que permite incluso determinar la cinemática de la región, lo que será decisivo para determinar la existencia y propiedades de un agujero negro en el centro de nuestra galaxia.

Otras aplicaciones

La óptica adaptativa tiene además importantes aplicaciones tecnológicas fuera de la astronomía. Sistemas que utilizan óptica adaptativa pueden verse ya en áreas tan diversas como la medicina, la observación de la Tierra, la comunicación mediante láser con satélites, donde la transmisión a través de la atmósfera es de vital importancia, y la utilización de láseres de alta potencia para conseguir la fusión nuclear, sin olvidar las aplicaciones en la industria de defensa.

Esta técnica es de gran interés especialmente en oftalmología, donde los profesionales de esta rama médica se ven limitados para examinar el fondo de ojo por las propias aberraciones del ojo humano. Mediante el uso de óptica adaptativa puede observarse el fondo del ojo con nitidez (resolución) hasta ahora inusual. Existe gran actividad investigadora en este campo en varias Universidades extranjeras así como en España, en las Universidades de Murcia, Vigo y Santander, entre otras.

Principios de la óptica adaptativa

La óptica adaptativa es una tecnología que permite determinar y corregir gran parte de las aberraciones con que llega el frente de onda de los objetos observados. El frente de onda es la envolvente geométrica de todos los rayos de luz que salieron al mismo tiempo de un objeto luminoso. Cuando el origen de la luz es un punto, el frente de onda es esférico; pero si está suficientemente lejos, como en el caso de las estrellas, ese frente es prácticamente plano.

Esquema de un sistema de óptica adaptativa.

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El frente de onda, perturbado por la atmósfera, es en primer lugar analizado por el sensor de frente de onda para determinar las aberraciones que trae consigo. Esta información pasa al reconstructor de fase, el cual calcula las correcciones que se deben realizar y las deformaciones que ha de adoptar el espejo deformable.

En un sistema de óptica adaptativa, el frente de onda, perturbado por la atmósfera, es analizado en primer lugar por un sensor de frente de onda, que determina sus aberraciones. Esta información pasa al reconstructor de fase, el cual calcula las correcciones que debe realizar y las deformaciones que ha de adoptar el espejo deformable para compensar las aberraciones originales del frente de onda (ver fig. 4).

Estrellas de láser artificiales

Con el sensado del frente de onda se pretende medir las aberraciones introducidas por la columna de atmósfera que atraviesa la luz proveniente del objeto astronómico. Normalmente, los objetos que se quieren estudiar son muy débiles, por lo que la medida de las perturbaciones del frente de onda ha de realizarse con alguna estrella brillante cercana al objeto de interés para que la luz procedente de esta estrella de referencia atraviese aproximadamente la misma columna de atmósfera que el objeto. Sin embargo, no siempre es posible encontrar estrellas suficientemente cercanas al objeto astronómico de interés y suficientemente brillantes para poder utilizarlas para medir el frente de onda.

La solución que se ha encontrado a este problema consiste en la producción de estrellas artificiales mediante la excitación con un rayo láser de la capa de sodio existente en las altas capas de la atmósfera. Esto requiere la utilización de láseres de elevada potencia y es una técnica que está aún en pleno desarrollo.

Una nueva tecnología

La óptica adaptativa es una técnica relativamente reciente, aunque los resultados, sin embargo, no se están haciendo esperar. Hoy en día no se concibe ningún gran telescopio sin un sistema de óptica adaptativa. Es más, cualquier próximo salto en el tamaño de los telescopios ha de contar necesariamente con el empleo sistemático de esta técnica. Ello es debido fundamentalmente a que la instrumentación científica sin el uso de óptica adaptativa aumentaría de tamaño directamente con el tamaño del telescopio, lo que daría como resultado tamaños inviables. Con óptica adaptativa, se reduce el tamaño del disco ocupado por las imágenes y el tamaño de los instrumentos se independiza del tamaño del telescopio.

Cualquier proyecto de futuro gran telescopio pasa por la adquisición de una gran experiencia en óptica adaptativa y por el dominio tecnológico de la segmentación en el espejo primario. Por ello, la experiencia que está adquiriendo el telescopio Keck, de gran aplicación para el GTC, y la propia experiencia que este telescopio español adquirirá tanto por ser segmentado como por el uso de óptica adaptativa, sitúa al GTC y a la industria española que participe en el desarrollo del telescopio y de su sistema de óptica adaptativa en una posición clave de referencia en el entorno europeo.

El coste de un sistema de óptica adaptativa se estima en 1.200 millones de pesetas. Posteriormente se espera contar con un sistema láser para producir estrellas artificiales cuyo costo puede ser de 300 millones de pesetas adicionales, si bien la urgencia de este último sistema no es inmediata. El Comité Científico Asesor considera que las ganancias que se obtendrán en capacidad de observación astronómica, así como los beneficios de índole estratégica antes mencionados, compensan la inversión.

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