Astronomía Online se enorgullece en presentar una entrevista exclusiva con el astrofísico estadounidense Webster Cash, experto mundial que durante los últimos diez años ha estado a la vanguardia del diseño y desarrollo de técnicas ópticas de avanzada para la detección, observación directa y caracterización de exoplanetas.
Webster Cash estudió física en el MIT y recibió su doctorado de la Universidad de California en Berkeley, en 1973. Es profesor del Departamento de Ciencias Planetarias y Astrofísica y del Departamento de Ciencia e Ingeniería Aeroespacial en la Universidad de Colorado en Boulder.
Cash ha estado involucrado en el desarrollo de instrumentos astronómicos para su operación en globos, cohetes suborbitales y satélites por más de 40 años. Entre sus intereses también está el desarrollo de técnicas innovadoras de interferometría y espectroscopía de rayos X para futuras misiones espaciales. La NASA ha reconocido el trabajo de Cash entregándole una Medalla al Logro Tecnológico Excepcional.
En el año 2008, el programa del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA (NIAC, por sus siglas en inglés) premió a un equipo liderado por Cash con una subvención para estudiar el costo y la viabilidad del Observador de Nuevos Mundos (NWO, o New Worlds Observer), su innovadora propuesta de un observatorio espacial diseñado para detectar exoplanetas similares a la Tierra alrededor de estrellas cercanas, que usa un disco ocultador independiente, denominado starshade (“sombra estelar”), en tándem con un telescopio espacial.
A inicios de 2014, el NIAC volvió a subvencionar a Cash por su trabajo en el Aragoscopio, una nueva propuesta de arquitectura para misiones de telescopios espaciales que permite obtener una resolución ultra elevada a bajo costo.
Los inicios de la “sombra estelar”
Durante mucho tiempo, los astrónomos buscaron una forma de superar el problema fundamental a la hora de obtener imágenes directas de exoplanetas: el brillo de una estrella siempre es varios órdenes de magnitud superior al de cualquiera de los planetas que la orbitan. Además, los planetas están separados por distancias angulares extremadamente pequeñas de su estrella cuando son observados a distancias de varios años luz.
En este contexto, la detección de exoplanetas de tamaño similar o mayor a Júpiter resulta comparativamente simple, pero el interés de los científicos es poder encontrar planetas mucho más pequeños, parecidos a la Tierra y con ambientes potencialmente favorables para el desarrollo de la vida.
Una de las opciones para suprimir la luz de una estrella y permitir que los planetas a su alrededor puedan ser detectados y observados directamente, es lo que se conoce como un coronógrafo estelar. La idea consiste en instalar un disco ocultador en el interior del telescopio, que bloquee el brillo de la estrella y aumente el contraste de la luz reflejada por sus planetas.
Sin embargo, la luz proveniente de la estrella se difractará inevitablemente alrededor de los bordes del disco ocultador, generando un patrón de interferencia y concentrándose a lo largo del eje central del telescopio. De esta forma, la luz estelar será fácilmente visible pese al disco ocultador, haciendo que la detección de planetas resulte imposible.
Dr. Cash, hace diez años usted se abocó a trabajar en ese problema, y lo solucionó descubriendo el diseño óptimo, similar a los pétalos de una flor, para implementar un starshade o “sombra estelar”. ¿Puede comentarnos el proceso de investigación que realizó?
Inicialmente, comencé trabajando con el concepto de una cámara oscura como la lente ideal. En términos ópticos, el orificio de una cámara oscura no tiene errores de fase, de transmisión ni de reflectividad; sólo un poco de dispersión a su alrededor y, por supuesto, difracción. Adapté una parte del trabajo que se estaba haciendo sobre la apertura de los coronógrafos internos en la Universidad de Princeton, y pude reducir el tamaño del orificio a solamente diez metros. El disco ocultador alrededor del orificio tendría que tener unos trescientos metros de diámetro.
Si bien sería un excelente “buscador de vida” para realizar análisis espectroscópicos de planetas similares a la Tierra, algunos de mis colegas en la empresa Northrop Grumman me hicieron notar que cualquier disco de un diámetro superior a los 100 metros seguramente usaría la totalidad de la carga útil de un lanzador Delta IV Heavy, el mayor cohete disponible actualmente, y el lanzamiento de un disco de 300 metros resultaría prohibitivamente costoso.
Ellos me preguntaron si había considerado la posibilidad de usar una cámara oscura inversa, es decir, un disco ocultador más pequeño, que cubriría la estrella permitiendo la observación del resto del sistema. Otros científicos habían analizado ese tipo de diseños antes, y habían llegado a la conclusión de que serían demasiado grandes; de todas formas, nosotros coincidimos en que si el problema de la difracción, que requería un disco tan grande, podía resolverse mediante una nueva función de apodización, obtendríamos algo muy valioso.
Así que pasé los siguientes seis meses aprendiendo todo lo que pude sobre cómo usar la apodización para suprimir la difracción. Programé algoritmos para evaluar funciones de este tipo, y realicé pruebas con muchas, muchas funciones. Hasta que finalmente el 11 de abril de 2005, a las 17:15, milagrosamente, intenté usando una función gaussiana desplazada, y en pocos minutos pude obtener un diseño funcional para un disco ocultador de menos de 100 metros de diámetro.
Ud. parece tener un vívido recuerdo del momento exacto en que encontró la función de apodización ideal para la “sombra estelar”. ¿Lo describiría como uno de los momentos más altos de su carrera? ¿Cómo lo experimentó en ese entonces?
Momentos como ése son poco usuales y muy especiales. Yo había trabajado durante meses intentando soluciones infructuosas, así que cuando de repente todo comenzó a funcionar, fue uno de los grandes momentos de mi vida, absolutamente. Estaba tan seguro de que había descubierto algo valioso, que me fui directo a mi casa para celebrar con mi esposa. Ella todavía estaba en su trabajo, así que abrí una botella de champagne y comencé a brindar sin esperarla.
Durante los dos meses siguientes, logré reducir el tamaño hasta el rango de los 50 metros usando una función hipergaussiana desplazada. También contraté tiempo de procesamiento en una supercomputadora de la Universidad de Princeton para realizar una búsqueda general de funciones cercanas a la hipergaussiana desplazada, y determinar si el tamaño podría reducirse aún más. La computadora encontró algunos diseños con ondulaciones a lo largo de los pétalos, que lograban reducir el tamaño en otro 25 por ciento. Sin embargo, las ondulaciones tienen algunas desventajas en cuanto a la restricción de paso de banda y a los requerimientos de rigidez de la forma del starshade, por lo que el diseño óptimo sigue siendo el de la función hipergaussiana, con el agregado de algunas ondulaciones de acuerdo a los objetivos puntuales de la misión.
¿Cuáles son las ventajas de usar una “sombra estelar” independiente en lugar de un coronógrafo estelar en el interior del telescopio?
La desventaja de un starshade es la necesidad de tener una segunda nave espacial volando en formación con el telescopio, pero las ventajas son numerosas. Un coronógrafo interno implica que la luz de la estrella ingrese al telescopio junto con la luz del planeta. Dado que la estrella es unas diez mil millones de veces más brillante que el planeta, aún la cantidad más pequeña de luz dispersa o difracción va a ahogar la señal del planeta. Crear un telescopio que pueda controlar toda la luz entrante a ese nivel es muy, muy difícil. El diseño de un instrumento así tendría un menor rendimiento, un paso de banda restringido, y requerimientos mucho más estrictos de control térmico y orientación. Somos muchos los que pensamos que los starshades serían, en definitiva, mucho más poderosos y menos costosos, a pesar de los costos que implica la necesidad de una segunda nave espacial.
Además de la caracterización de exoplanetas en torno a estrellas relativamente cercanas, ¿el concepto de “sombra estelar” se adapta a alguna otra área particular de investigación astronómica?
Tiene sentido usar un starshade cuando se busca obtener un alto contraste con una separación angular mínima. Hay algunos otros usos posibles, como la observación de discos de acreción alrededor de los cuásares, y la interacción de los vientos estelares de una estrella con el medio interestelar que la rodea.
Misión NWO: Observando exoplanetas de tipo terrestre a la sombra de un starshade
Dr. Cash, en 2008, su equipo tradujo el concepto de la “sombra estelar” a un diseño ejecutable en la práctica. ¿Cuál es el estado actual de la misión New Worlds Observer (Observador de Nuevos Mundos, o NWO) que Ud. propuso a la NASA?
En 2010 la idea del NWO fue adoptada por la revisión que realiza cada diez años la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos, aunque se puntualizó correctamente que la tecnología requerida todavía no había alcanzado la madurez necesaria para poder seleccionar una misión así. El informe recomendaba llevar adelante un programa de desarrollo tecnológico para estar en condiciones de tomar una decisión mejor informada hacia mediados de esta década; sin embargo, han pasado cuatro años desde entonces, y la NASA no ha iniciado ese programa.
En dos oportunidades propuse un programa suborbital que podría mapear el sistema planetario de Alfa Centauri, incluyendo su zona habitable, en unos cuatro años. Esto también permitiría desarrollar y demostrar la tecnología necesaria para implementar un starshade, por una pequeña fracción del costo de una misión completa. Ambas propuestas fueron rechazadas por paneles anónimos de revisión por pares, aunque nunca se identificó ningún problema técnico, por lo que nunca entenderé cuáles fueron las razones.
Hace unos cinco años, algunos científicos opinaban que resolver todos los desafíos técnicos planteados por una misión similar al NWO probablemente llevaría otros 25 años. Teniendo en cuenta el trabajo en prototipos de ingeniería de sombras estelares que se está realizando actualmente en el Jet Propulsion Laboratory (JPL, o Laboratorio de Propulsión a Reacción) de la NASA, ¿Ud. considera que aún estamos a unos 20 años de poder lanzar una misión así?
Bueno, yo ciertamente nunca declaré eso. El trabajo realizado por el JPL no ha resultado en avances significativos con respecto a los que ya había logrado el equipo de la Universidad de Colorado y la empresa Northrop-Grumman; de todas formas, en ese entonces yo tenía la impresión de que un programa bien direccionado de unos cinco años de duración sería suficiente para lograr el desarrollo tecnológico requerido por la misión, y sigo pensando lo mismo. Quizás estemos a unos 20 años de estar preparados, pero eso se debe solamente a la falta de apoyo presupuestario.
En su propuesta original, el espejo primario del telescopio de la misión NWO tenía una apertura de 4 metros. ¿Este requerimiento ha evolucionado desde entonces? Teniendo en cuenta las actuales limitaciones presupuestarias de la NASA, sería posible usar el sucesor del Hubble, el Telescopio Espacial James Webb (JWST), a ser lanzado en 2018, en lugar de un telescopio dedicado?
Nuestra primera propuesta usando un starshade, allá por 2006, consistía en enviar una sombra estelar a encontrarse con el JWST en el espacio para operar en conjunto. Todavía considero que esa sería la manera más rápida de iniciar la búsqueda de planetas habitables. Hay algunas dificultades técnicas adicionales al usar el JWST, porque ese telescopio no fue diseñado con un starshade en mente. A pesar de eso, sigue siendo una opción viable y de bajo costo.
La apertura de 4 metros para un telescopio dedicado fue elegida porque se trata del mayor espejo que puede ser lanzado en una sola pieza con los cohetes disponibles actualmente. Además, ese tamaño es adecuado para la observación de exoplanetas del tamaño de la Tierra a unos 10 pársecs de distancia [NdR: unos 32,6 años luz]. Seguimos evaluando aperturas menores, pero los costos igualmente resultan altos por la manera en que opera la NASA, y la sensitividad para detectar planetas de tamaño terrestre decrece exponencialmente con el diámetro de apertura elevado a la cuarta potencia.
El Aragoscopio y los telescopios del futuro
Recientemente la NASA le otorgó una subvención para continuar desarrollando un nuevo concepto, que Ud. denominó “Aragoscopio”. ¿Puede comentarnos hace cuánto tiempo viene trabajando en él, y cuál es su principio de funcionamiento?
Hace unos cuatro años me encontré con un colega, Ivan Bekey, en una reunión del NIAC, y él me preguntó si conocía alguna manera de fabricar una óptica difractiva liviana, de unos 200 metros de diámetro, que pudiera proveer imágenes de alta resolución de la Tierra desde una órbita geosincrónica. No pude darle una respuesta en ese momento, pero la idea me dejó intrigado y trabajé en varios conceptos posibles. Dos años más tarde, se me ocurrió la idea del Aragoscopio, y he continuado trabajando en ese concepto a un bajo nivel durante los últimos dos años.
En cuanto al principio de funcionamiento, la forma de los pétalos de un starshade está diseñada para remover la luz que naturalmente se difracta alrededor de un disco ocultador y “contamina” su sombra. Una cantidad sorprendentemente grande de luz se difracta concentrándose en el eje central de la sombra detrás del disco. Esto se conoce desde 1818, cuando François Arago demostró que la luz difractada crea un punto brillante en el centro de la sombra de un disco. Elegí ese nombre para el Aragoscopio porque el concepto básico es obtener una imagen de mayor eficiencia a partir de esa luz difractada. Dado que la luz se difracta en los bordes del disco, su resolución angular está limitada por el tamaño del disco de bajo costo, en lugar de depender del tamaño del telescopio, que es mucho más costoso. Esto resulta muy importante cuando determinadas observaciones requieren telescopios con una apertura de varios metros de diámetro.
¿Cuáles serían los tamaños del disco ocultador y del espejo primario del telescopio, y la distancia entre ambos, en su propuesta del Aragoscopio?
En realidad, esos parámetros son totalmente ajustables. El disco ocultador siempre será más grande que el telescopio, porque ese es justamente el principio de funcionamiento. A medida que el telescopio se aleja más detrás del disco, el requerimiento de la precisión necesaria para la circularidad del disco se relaja, por lo cual el diseño final dependerá en gran parte de compensar los requerimientos observacionales con las limitaciones de ingeniería.
Ud. ha mencionado que un Aragoscopio con un disco de 100 metros podría resolver características como manchas solares, eyecciones de plasma y otra actividad coronal en las estrellas del sistema de Alfa Centauri. ¿Cuáles serían las limitaciones observacionales para el Aragoscopio, dado que la cantidad de luz recolectada sería mucho menor que si se usara un espejo sólido?
El compromiso es obtener una resolución más alta usando un área de recolección más pequeña, por lo cual un Aragoscopio no es el instrumento ideal para observar objetos como nebulosas tenues. De todas formas, hay muchos objetivos de observación con un brillo de superficie elevado, por lo cual eso no será un problema.
La descripción del Aragoscopio difundida por el NIAC menciona una resolución hasta mil veces superior a la del Telescopio Espacial Hubble. ¿Cuál sería el tamaño mínimo para el disco ocultador y el telescopio para poder lograr algo así?
La resolución del Hubble es de alrededor de 0,1 segundos de arco. Para lograr una resolución de 100 microsegundos de arco, se necesitaría un Aragoscopio con un disco de casi un kilómetro de diámetro. Entiendo que varios ingenieros aeroespaciales han estudiado el lanzamiento de estructuras desplegables de ese tamaño en forma de anillo, y determinaron que serían factibles, aunque muy costosas. Además, detrás del disco debería ponerse el telescopio más grande que sea posible construir.
Ahora que menciona la instalación de grandes estructuras en el espacio, la NASA recientemente reveló sus planes de lanzar un telescopio espacial con un espejo segmentado de 20 metros de diámetro, llamado ATLAST, alrededor del año 2030. Dado su tamaño, problablemente deba ser ensamblado por astronautas en el espacio antes de ser desplegado. ¿Ud. considera que esta filosofía de “cuanto más grande, mejor” es sostenible a largo plazo, teniendo en cuenta los grandes retrasos experimentados con el Telescopio Espacial James Webb y los continuos problemas presupuestarios que ese proyecto está causándole al resto de la agencia espacial?
Bueno, yo en particular soy un gran partidario del concepto ATLAST. De hecho, trabajé de manera coordinada con los autores de ese estudio para determinar si un starshade podría ser usado en conjunto con el telescopio, y los resultados fueron sorprendentes. Estaríamos en condiciones de explorar las zonas habitables de estrellas a más de un centenar de pársecs [unos 326 años luz], y obtener observaciones espectroscópicas detalladas de las bandas de oxígeno en las atmósferas de los planetas habitables, en caso de hallarlos.
Sin embargo, me preocupa la actual estructura de administración de la NASA. A menos que algo cambie pronto, se tardará al menos unos treinta años en construir y lanzar una misión así. Algo tiene que cambiar si esperamos ver un telescopio como ATLAST en operaciones alguna vez.
Para terminar la entrevista, me gustaría que hablemos un poco de sus demás intereses de investigación. Ud. formó parte del equipo de la Universidad de California en Berkeley que lanzó en un cohete sonda el primer telescopio para obtener imágenes en las longitudes de onda del ultravioleta extremo. Eso fue hace 41 años, y sin embargo muchos científicos consideran que el campo de la astronomía en esa región del espectro electromagnético sigue en pañales. En su opinión, ¿cuáles son las mayores limitaciones que impiden el progreso en ese área?
En el pasado, la NASA solía considerar importante el hecho de mantener un portfolio diversificado de misiones de ciencia espacial. Ese criterio cambió, y ahora lo importante para la agencia es tener al menos una misión muy grande. Toda aquella iniciativa científica que no puede obtener una cantidad importante de “votos” de la comunidad astronómica termina teniendo una prioridad más baja.
Hasta hace pocos años, había un programa exitoso de lanzamiento de cohetes sonda en el Naval Research Lab [NdR: Laboratorio de Investigación Naval, ubicado en Washington, Estados Unidos] pero la NASA lo canceló. En épocas donde la financiación presupuestaria está restringida, una situación que en la actualidad prevalece todo el tiempo, solamente los temas científicos más populares obtienen financiación.
En este sentido, si bien la astronomía en el ultravioleta extremo es muy interesante, está restringida a la observación de coronas estelares, atmósferas de enanas blancas y el medio interestelar cercano.
Teniendo esta situación en cuenta, ¿Ud. cree que el boom del turismo espacial suborbital proveerá oportunidades de bajo costo para lanzar instrumentos astronómicos similares a los que se incluyen actualmente en los cohetes sonda?
El boom del turismo espacial es la consecuencia comercial de la próxima generación de cohetes. Las compañías privadas que están construyendo estos vehículos de lanzamiento son asombrosas, y estoy entusiasmado por el potencial que esto tendrá para el avance de la ciencia espacial.
De hecho, ya he obtenido el permiso para un vuelo de prueba a baja altura en el vehículo de Masten [NdR: se refiere al prototipo Xombie, de la compañía Masten Space Systems] desde Mojave, California. Cuando estos nuevos lanzadores alcancen el espacio, con un poco de suerte en apenas un par de años, los científicos espaciales tendremos un nuevo paradigma de trabajo. Estimo que la NASA proveerá la financiación para que cada grupo de investigación pueda tener su propio cohete. Un experimento podrá ser lanzado al espacio en un cohete por unos pocos minutos, descender nuevamente a tierra, ser reabastecido de combustible y volver a ser lanzado rápidamente. Esto acelerará mucho el ritmo de nuestras investigaciones y ampliará su alcance. ¡Probablemente nuestra única limitación sea la frecuencia con la que estos cohetes fallen o se estrellen!
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