Los telescopios espaciales algún día podrían sustituir los grandes espejos requeridos para tomar las imágenes de los nuevos planetas por materiales brillantes bajo la forma de nubes de partículas polvo brillante de acuerdo con investigadores del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en Pasadena, California.
Los telescopios estándar utilizan espejos sólidos para reflejar imágenes de objetos lejanos. Pero los grandes y complejos espejos necesarios para la astronomía pueden resultar bastante caros y difíciles de construir. Su tamaño y peso también se suman a los retos que presenta lanzar un telescopio al espacio. La imagen de portada muestra la luz blanca reflejada en un espejo brillante y dirigida hacia un sensor de la cámara. Los investigadores lo probaron en un laboratorio como parte del concepto de » Orbiting Rainbows” (arcos iris en órbita), una solución de bajo costo para los espejos de los telescopios espaciales. Crédito: G. Swartzlander / Rochester Institute of Technology
Nube de polvo brillante atrapada por láser
Un concepto llamado Orbiting Rainbows trata de abordar estas cuestiones. Los investigadores proponen utilizar nubes de partículas de polvo brillante reflectantes en lugar de espejos para permitir a un telescopio ver las estrellas y los planetas. La tecnología permitiría tomar imágenes de alta resolución a una fracción del costo de los espejos utilizados actualmente.
«Es una nube flotante que actúa como un espejo», dijo Marco Quadrelli del JPL, el investigador principal de Orbiting Rainbows. «No hay una estructura de soporte, no hay acero alrededor de ella, no hay bisagras, sólo una nube.»
En el sistema propuesto de Orbiting Rainbows, la pequeña nube de granos de polvo brillante quedaría atrapada y seria manipulada con múltiples rayos láser. El atrapamiento sucede debido a la presión de la luz láser – específicamente, el impulso de los fotones se traduce en dos fuerzas: una que empuja las partículas a cierta distancia, y otra que empuja las partículas hacia el eje del haz de luz. La presión de la luz láser procedente de diferentes direcciones da forma a la nube y empuja a los pequeños granos a alinearse en la misma dirección. En un telescopio espacial, la nube tenue se formaría por millones de granos, cada uno, posiblemente, tan pequeño como fracciones de un milímetro de diámetro.
Un telescopio de este tipo tendría una amplia abertura ajustable, el espacio a través del cual pasa la luz durante una medición óptica o fotográfica; de hecho, podría dar lugar a aberturas, posiblemente, mayores que las de los telescopios espaciales existentes. También sería mucho más sencillo de empacar, transportar y desplegar, que un telescopio espacial convencional.
La naturaleza está llena de estructuras que presentan propiedades de enfoque y de dispersión de luz como las del arco iris, fenómenos ópticos en las nubes, o colas de los cometas. Las observaciones de estos fenómenos, y los últimos éxitos de laboratorio en atrapamiento óptico y manipulación han contribuido al concepto de Orbiting Rainbows. La idea original de un telescopio basado en un espejo láser atrapado se propuso en un artículo de 1979 por el astrónomo Antoine Labeyrie en el College de France en París.
Eliminar distorsión de la imagen mediante algoritmos
Ahora, el equipo que trabaja en el Orbiting Rainbows está tratando de identificar formas de manipular y mantener la forma de una nube en órbita de materia similar al polvo usando presión de láser para que pueda funcionar como una superficie de adaptación con características electromagnéticas útiles, por ejemplo, en las bandas ópticas o de radar.
Debido a que una nube de motas de brillo no es una superficie lisa, la imagen producida a partir de esas motas en un telescopio tendrá más ruidos – con una distorsión más moteada – que la que un espejo normal generaría. Es por eso que los investigadores están desarrollando algoritmos para tomar varias imágenes y eliminar el efecto moteado del brillo de forma computarizada.
Para probar la idea, el co-investigador Grover Swartzlander, profesor asociado en el Instituto de Tecnología de Rochester en Nueva York, y sus estudiantes esparcieron brillo en una lente cóncava en el laboratorio. Su equipo utilizó el láser para representar la luz de un sistema estelar doble. Apuntaron el espejo moteado hacia las estrellas simuladas, y utilizaron una cámara para tomar imágenes. Con muchas exposiciones y un montón de procesamiento, una imagen de los dos «estrellas» surgió utilizando el espejo de brillo.
«Este es un gran logro», dijo Quadrelli. «Esto demuestra un experimento muy controlado en el que hemos sido capaces de hacer imágenes en el espectro de luz visible.»
Diversas aplicaciones en teledetección
La tecnología podría utilizarse más fácilmente para las señales de banda de radio. Debido a que la longitud de onda es mucho más larga (aproximadamente un centímetro, en comparación con los nanómetros de la luz visible), los granos del espejo no tienen que estar controlados o alineados tan precisamente. Esto abre la puerta a aplicaciones de las ciencias de la Tierra como la detección de terremotos y la teledetección de agua y otros fenómenos. Darmindra Arumugam del JPL está investigando posibles mecanismos para la teledetección con el sistema Orbiting Rainbows.
El equipo de diseño óptico de JPL, incluyendo a Scott Basinger y Mayer Rud, ha estado trabajando en las técnicas de óptica adaptativa requeridas por un telescopio Orbiting Rainbows. Hasta el momento, el equipo ha estado explorando versiones de reflexión, refracción y difracción de un telescopio basado en Orbiting Rainbows, con la máxima sensibilidad a una frecuencia específica.
El proyecto supone una nueva aplicación de la «materia granular,» materiales tales como granos de polvo, polvos y aerosoles. Dichos materiales son muy ligeros, se pueden producir a bajo costo y podrían ser útiles para los grupos de trabajo de exploración espacial. En este proyecto en particular, el «brillo» puede ser producido por pequeños gránulos de plástico con revestimiento metálico, de cuarzo o de algún otro material.
El proyecto Orbiting Rainbows se encuentra actualmente en Fase II de desarrollo a través del Programa Conceptos Avanzados Innovadores (NIAC) de la NASA. Fue una de las cinco propuestas tecnológicas elegidas para su estudio continuo en 2014. En la fase actual, investigadores de Orbiting Rainbows están llevando a cabo experimentos en tierra a pequeña escala para demostrar cómo los materiales granulares se puede manipular utilizando láseres y simulaciones de cómo el sistema de imagen se comportaría en órbita.
