TELESCOPIO ESPACIAL SPITZER

TELESCOPIO ESPACIAL SPITZER
Tomado de http://sirtf.caltech.edu/espanol/
Sobre Spitzer
NASA/JPL
Las Instalaciones del Spitzer Telescopio Espacial consisten en un observatorio espacial infrarrojo enfriado criogénicamente,
capaz de estudiar objetos que van desde nuestro Sistema Solar hasta las regiones más distantes del Universo. Spitzer es el
elemento final del Programa de Grandes Observatorios de la NASA, y una pieza clave desde el punto de vista científico y
técnico del nuevo Programa para la Búsqueda Astronómica de los Orígenes. El observatorio Spitzer consiste en un
telescopio de 0.85 metros con tres instrumentos científicos enfriados criogénicamente, capaces de tomar imágenes y
espectros de 3 a 180 micras. Con su gran sensibilidad, su conjunto de detectores de gran formato, su alta efectividad
observacional y su larga vida criogénica, Spitzer ofrece una capacidad observacional sin precedentes. El observatorio será
lanzado en Agosto del 2003 y las estimaciones actuales sugieren una vida de unos 5 años.
El Spitzer Space Telescope es una misión espacial, enfriada criogénicamente, capaz de estudiar objetos que van
desde nuestro Sistema Solar hasta los confines del Universo. Spitzer es el elemento final del Programa de Grandes
Observatorios de la NASA, y una importante piedra angular ciencifica y técnica del nuevo Programa de la
Búsqueda Astronómica de los Orígenes (Inglés) (Astronomical Search for Origins Program).
Fecha de Lanzamiento:
Vehículo/ Lugar de Lanzamiento:
Duración Estimada:
Orbita:
Longitudes de Onda:
Telescopio:
Límite de Difracción:
Capacidades Científicas:
Espectroscopía,
Espectrofotometría,
Seguimiento Planetario:
Criogeno / Volumen:
Masa en Lanzamiento:
25 Agosto 2003
Delta 7920H ELV / Kennedy Space Center
2.5 años (mínimo); 5+ años (objetivo)
Heliocéntrica siguiendo a la Tierra
3 - 180 micras
85 cm de diámetro (33.5 pulgadas), f/12 berilio ligero, enfriado a menos de 5.5 K
6.5 Micras
Imagen / Fotometría, 3-180 micras
5-40 micas
50-100 micras
1 arcsec / seg
Helio Líquido/ 360 litros (95 galones)
950 kg (2094 lb)
Principales Innovaciones
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Elección de la órbita
Arquitectura de "lanzamiento a temperatura templada"
Nueva generación de conjunto de detectores de gran tamaño
Optica criogénica ligera
Historia Temprana
Historia Espacial
La Astronomía Infrarroja nació en los años 60 con el vuelo de telescopios a bordo de globos aerostáticos, lo que permitió
evitar la absorción producida por la parte baja de la atmósfera. A principios de los años 70, las observaciones hechas por
pequeños telescopios a bordo de cohetes y de aviones a chorro volando a gran altura permitieron identificar unos pocos
miles de fuentes celestes infrarrojas (IR).
Mientras tanto, los astrónomos explotaban las estrechas ventanas de transmisión atmosférica para observar, desde la
superficie de la Tierra, a determinadas longitudes de onda en el cercano y mediano infrarrojo. Se instalaron nuevos
instrumentos en telescopios en Mauna Kea (Hawaii), Monte Wilson en el Sur de California y Monte Lemmon en Arizona. En
1974 NASA convirtió un avion de cargo en el Observatorio Aereo Kuiper, que durante las dos décadas siguientes efectuó
vuelos de investigación.
NASA/ARC
Pero ninguno de estos observatorios pudo aprovechar las condiciones de observación excepcionales del espacio exterior. A
principios de los años 70, los astrónomos comenzaron a considerar la posibilidad de colocar un telescopio infrarrojo por
encima de la atmósfera terrestre. La mayoría de las ideas, como el Shuttle InfraRed Observatory (SIRO), consideraban la
realización de repetidos vuelos a bordo del Transbordador Espacial de NASA. Este enfoque tuvo lugar en una época en que
el presupuesto del programa del Transbordador se presuponía capaz de realizar vuelos semanales de hasta 30 días de
duración. Más aún, se asumía que el ambiente contaminado del Transbordador (debido a los vapores y pequeñas partículas)
podría ser minimizado.
National Academy Press
En 1979, El Consejo Nacional de Investigación (National Research Council) de la Academia Nacional de Ciencias (National
Academy of Sciences) publicó las recomendaciones de un comité de científicos (Comité de Campo) seleccionados para
identificar las prioridades de los nuevos telescopios astronómicos, observatorios e iniciativas para la siguiente década. Este
informe, Una Estrategia para la Astronomía y Astrofísica Espacial de los años 80, identificó el Shuttle Infrared Telescope
Facility (SIRTF) como "una de las dos grandes instalaciones astrofísicas (que deben ser desarrolladas) para Spacelab," una
plataforma espacial de investigación. Anticipando los excitantes resultados del satélite Explorer y de la misión del
Transbordador, el informe favorecía el "estudio y desarrollo de vuelos espaciales de larga duración de telescopios infrarrojos
enfriados a temperaturas criogénicas."
En Mayo de 1983, NASA solicitó propuestas para construuir instrumentos y realizar observaciones con un telescopio
infrarrojo grande a bordo el Transbordador. De acuerdo con el anuncio de NASA,
SIRTF se proyecta como una misión adjunta del Transbordador, con una instrumentación
científica variable. Se anticipan varios vuelos con una probable transición a un modo de
operación de mayor duración, posiblemente en asociación con una futura plataforma
espacial o estación espacial. SIRTF consistirá en un telescopio de 1-metro de diámetro,
una instrumentación multi-uso en el plano focal, todo ello enfriado criogénicamente. Será
lanzado en el Transborador Espacial y permanecerá acoplado al Transbordador como un
instrumento de Spacelab durante las observaciones astronómicas, después de lo cual será
devuelto a la Tierra para ser preparado para el siguiente vuelo.
El anuncio de NASA decía también que "...el primer vuelo de SIRTF se espera se realizará hacia
1990, teniendo lugar el segundo vuelo aproximadamente un año después."
NASA/IPAC
Interpretación de un artista
de IRAS en orbita
NASA/IPAC
Mientras NASA estaba preparando la publicación de este anuncio para solicitar propuestas, un cohete estaba lanzando al
espacio el primer telescopio infrarrojo: el Satélite Astronómico Infrarrojo (InfraRed Astronomical Satellite, IRAS). IRAS, un
satélite tipo Explorer diseñado para realizar el primer censo del cielo infrarrojo, fue el fruto de la colaboración de Estados
Unidos, los Paises Bajos y Gran Bretaña. El equipo de Estados Unidos construyó el telescopio, los detectores infrarrojos y el
sistema refrigerante. El equipo holandés proporcionó la nave espacial, que incluye los ordenadores de abordo y los sistemas
de apuntar. Y el equipo británico construyó a estación terrestre y el centro de control. La misión de 10 meses de IRAS se
convirtió en un éxito espectacular y alentó los deseos de científicos de todo el mundo de realizar una misión de seguimiento
que se aprovechara de las rápidas innovaciones realizadas en el campo de la tecnología de detectores infrarrojos.
En reconocimiento de los impresionantes primeros resultados científicos de IRAS, NASA publicó un anexo al anuncio de
propuestas en Septiembre de 1983 "...para proporcionar flexibilidad en vista de la posiblidad de una misión SIRTF de larga
duración" (no asociada con el Transbordador).
En 1984, NASA seleccionó a un equipo de astrónomos para construir los instrumentos y ayudar en la definición de un
programa científico para el observatorio SIRTF (no asociado al Transbordador). Esta decisión resultó ser muy acertada, ya
que cuando el Telescopio Infrarrojo (InfraRed Telescope, IRT) voló a bordo de Spacelab 2 en Julio de 1985, se descubrió
que la emisión infrarroja contaminante producida por el Tranbordador era considerable. A pesar de ello, este modesto
telescopio de 15.2 cm de diámetro desarrollado por un equipo del Observatorio Astrofísico Smithsonian demostró el éxito del
diseño criogénico del telescopio y de la posibilidad de trabajar con helio superfluido en gravedad cero.
La decisión de proceder con un observatorio independiente del Transbodador dió lugar a la primera, pero no última,
transformación de SIRTF: Space Infrared Telescope Facility.
Historia Reciente
"La Década del Infrarrojo"
A finales de los años 80, la impresionante herencia histórica de la misión de 10 meses de IRAS y el prometedor futuro de la
astronomía infrarroja espacial, eran cada vez más obvios para la comunidad científica. En 1989, el Consejo Nacional de
Investigación de la Academia Nacional de Ciencias encargó al Comité evaluador de astronomía y astrofísica (Astronomy and
Astrophysics Survey Committee, AASC) hacer unas recomendaciones de las iniciativas más importantes en materia de
observatorios terrestres y espaciales para la próxima década. Este comité de astrónomos y astrofísicos representaba a toda
la comunidad de investigadores y estableció quicen grupos donde estaban representadas las disciplinas a todas las
longitudes de onda, así como la astrofísica solar, planetaria, teórica y de laboratorio. Estos grupos fueron responsables de
recoger la opinión de una comunidad muy amplia. En el estudio, que se tardó dos años en completarse, participaron más del
15% de todos los astrónomos de los Estados Unidos.
El comité AASC se conoce con el nombre de Comité Bahcall, llamado así en honor de su
director John Bahcall (Institute for Advanced Study, Princeton University). Los resultados del
estudio fueron publicados en 1991 por la National Academy Press en The Decade of
Discovery in Astronomy and Astrophysics, también conocido como el Informe Bahcall.
Haciendo mención de la importancia fundamental del espectro electromágnetico que va de
1 a 1000 micras para el estudio de los problemas de más relevancia en astrofísica, el
Informe Bahcall se refiere a la década de los 90 como la "Década del Infrarrojo." Esta
proclamación se basó también en los avances revolucionarios hechos en el campo de la
tecnología de detectores infrarrojos.
En este informe, Spitzer se considera como el "programa espacial nuevo de mayor
prioridad" para la próxima década. En el Resumen Ejecutivo se dice lo siguiente:
[Spitzer], que completará el Programa de Grandes Observatorios de la NASA, será
casi mil veces más sensibles que telescopios terrestres infrarrojos. Los nuevos
conjuntos de detectores infrarrojos, desarrollados en los Estados Unidos, darán a
Spitzer la habilidad de hacer mapas de áreas extensas y complejas y de obtener
espectros un millón de veces más rápidamente que cualquier otro telescopio
National Academy Press
infrarrojo espacial. Dos misiones Explorer completadas con éxito [IRAS y COBE]
proporcionan una herencia técnica excelente para Spitzer.
Spitzer se veía como el cuarto y final elemento del Programa de Grandes Observatorios (Inglés) de la NASA. La intención
era lanzar Spitzer lo suficientemente temprano como para permitir que fuera contemporaneo del Telescopio Espacial Hubble
(Inglés) y del Observatorio Chandrea de Rayos-X (Inglés) (antes conocido como Advanced X-ray Astrophysics Facility). El
informe Bahcall mencionaba las contribuciones científicas que se esperaba hiciera Spitzer en cuatro áreas de investigación
de especial relevancia.
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Formación de Planetas y Estrellas
o Cometas, Sistema Solar Primordial
o Discos Planetarios de polvo de segunda generación
o Vientos Protoestelares
o Censo de Enanas Marrones
Origen de Galaxias y Quasares Energéticos
o Espectros de Galaxias Luminosas hasta z = 5
Distribución de Materia y Galaxias
o Censos Profundos de 10 a 100 micras
o Materia Perdida y Halos Galácticos
Formación y Evolución de Galaxias
o Protogalaxias
o Evolución de Galaxias
De la comparación de los atributos de los tres observatorios infrarrojos más áltamente recomendados -- Spitzer, SOFIA y un
telescopio terrestre de 8 metros optimizado para el infrarrojo, ahora conocido con el nombre de Observatorio Geminis, el
informe Bahcall decía lo siguiente:
Spitzer tiene la mayor sensibilidad para fotometría, imagen y para espectroscopía de baja a media
resolución. Entre 3 y 20 micras, Spitzer será de 10 a 40 veces más sensible que el telescopio de 8 metros
optimizado para el infrarrojo. A pesar de los avances en el diseño de telescopios terrestres y en la tecnología
de detectores, Spitzer mantendrá una ventaja fundamental en la sensibilidad a más de 3 micras. Spitzer
podrá observar ininterrumpidamente de 2 a 200 micras, lo cual es necesario para detectar importantes lineas
espectrales atómicas y moleculares.
Poco después de que el Informe Bahcall fuera publicado, el presupuesto asignado a Astronomía y Astrofísica cambió
dramáticamente. El presupuesto de la NASA fue reducido de tal forma que se tuvieron que cancelar algunas misiones y
otras, como Spitzer, se tuvieron que re-diseñar. De hecho, en cinco años el diseño de Spitzer experimentó dos significativas
reducciones en tamaño, pasando de ser un observatorio grande con un presupuesto de 2,200 millones de dólares, a tener
un tamaño más modesto con un presupuesto de 550 millones de dólares. Las diferentes versiones de Spitzer fueron
nombradas en función del cohete de la NASA en el que se lanzarían (ver abajo).
Modificaciones en el diseño de Spitzer
NASA/JPL
Después del último re-diseño de Spitzer a mediados de los 90, y motivados por los cambios fiscales, el Comité de
Astronomía y Astrofísica, perteneciente al "National Research Council's Space Studies Board" y al "Board on Physics and
Astronomy," creó un Grupo de Trabajo sobre Spitzer y SOFIA (TGSS) para llevar a cabo un estudio independiente de la
capacidad científica de los recién re-diseñados Spitzer y SOFIA.
En un informe publicado en Abril de 1994, el TGSS concluyó que:
A pesar de la reducción en los objetivos científicos provocados por la disminución del presupuesto de la
NASA destinado a nuevas misiones espaciales, Spitzer sigue siendo inigualable en su potencial para
estudiar las preguntas más importantes en Astrofísica moderna identificadas en el Informe Bahcall. El TGSS
ha concluido por unanimidad que Spitzer sigue mereciéndo la alta prioridad dada por el Informe Bahcall.
Naturamente, algunas de la capacidades científicas de Spitzer han desaparecido, pero a pesar de la dramática reducción de
su presupuesto (en un 80%), la vitalidad e integridad de Spitzer se ha mantenido. ¿Cómo? En su mayor parte gracias a la
toma de decisiones de ingeniería innovadoras.
Innovaciones
Para mantener los objetivos científicos con un Spitzer más pequeño, los científicos, ingenieros y administradores de Spitzer
tuvieron que revisar conceptos convencionales, resultado de lo cual fue un diseño que incorpora innovaciones técnicas
compatibles con un presupuesto que es una fracción del original.
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Importante Desarrollo Tecnológico
Elección Inteligente de la Orbita
Arquitectura Criogénica Innovadora
Telemetría de Almacenamiento y Deshecho
Administración del Programa
Desarrollo Dramático de la Tecnología
Además de la gran motivación científica de la astronomía infrarroja, existe una dramática revolución tecnológica -continuando en la actualidad -- que ha permitido expandir nuestro conocimiento del universo infrarrojo. Esto está
espectacularmente ilustrado en la Figura de abajo, que muestra dos observaciones de la emisión infrarroja del centro de la
Galaxia separadas una de otra por 3 décadas.
El Centro Galáctico: 1967-1994
I. Gatley/NOAO/KPNO, (inserto) G. Neugebauer & E. E. Becklin/Caltech
El inserto muestra los datos tomados en 1967 por Gerry Neugebauer y Eric Becklin con un detector de un solo elemento de
PbS (sulfuro de plomo) en el telescopio de 200 pulgadas de Palomar. El mosaico de la emisión en el infrarrojo cercano del
Centro Galáctico fue creado a principios de los 90 por Ian Gatley en el Observatorio Nacional Kitt Peak, a partir de
observaciones hechas con cámaras infrarrojas modernas usando conjuntos de detectores de PtSi (platino y silicio).
El impresionante progreso hecho en tecnología de detectores infrarrojos ha resultado de la estrecha relación entre ciencia y
tecnología y entre industria y universidades. La génesis de esta revolución ha sido la inversión de cientos de millones de
dólares hecha por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos en materia de tecnología de detectores infrarrojos.
Los intereses militares en esta tecnología estaban concentrados en longitudes de onda de menos de 30 micras y en
ambientes con un fondo a alta temperatura. A medida que el conocimiento técnico fue llegando al mundo civil, los
astrónomos redirigieron el objetivo del desarrollo hacia ambientes con poco fondo radiativo y aplicaciones a alta sensibilidad.
Ha habido a su vez un impresionante progreso hecho en tecnología de conjuntos de detectores a todas longitudes de onda,
desde el cercano hasta el lejano infrarrojo.
En quince años, los astrónomos infrarrojos han pasado de usar unos pocos detectores de elementos individuales a trabajar
rutinariamente con conjuntos de detectores de muchos miles de elementos (pixeles). La era de los "millones de pixeles" en la
astronomía infrarroja comenz&oactue; en 1995. Uno mira maravillado hacia el pasado al darse cuenta que la enorme
herencia dejada por la exitosa mision del Satélite Astronómico Infrarrojo (IRAS) (Inglés) fue el resultado de solo 62 pixeles!
Una aplicación espectacular de las mejoras en tecnología de detectores son estos mosaicos del Centro Galáctico,
mostrando datos en el cercano infrarrojo tomados del Censo a Dos Micras de Todo el Cielo (Inglés) (Two-Micron All-Sky
Survey, 2MASS).
Imagen visible (izquierda) y en el cercano infrarrojo (derecha) del Centro Galáctico. Cada imagen cubre 10 grados cuadrados.
(izquierda) Howard McCallon, (derecha) NASA/2MASS/IPAC
(Abajo) Una composición en falso color de una región del cielo alrededor del Centro Galáctico de 5 x 2 grados. El azul y el verde corresponde a la
emisión en el cercano infrarrojo observada por 2MASS a longitudes de onda de 1.25 y 2.17 micras. El rojo corresponde a la emisión en el
mediano infrarrojo de 6 a 11 micras tomada por el telescopio SPIRIT-III, a bordo del Experimento Espacial a Mitad de Vuelo (Midcourse Space
Experiment, MSX). El plano de la Vía Láctea atraviesa horizontalmente la imagen y el Centro Galáctico es el punto amarillo brillante cerca del
centro.
NASA/2MASS/IPAC and BMDO/MSX/IPAC
El progreso hecho en tecnología de detectores infrarrojos para aplicaciones astronómicas es el resultado directo de una
colaboración beneficiosa entre ciencia e industria. Mientras que los científicos están en deuda con la industria por los
esfuerzos hechos en el diseño y fabricación de detectores, muchas de estas firmas han obtenido beneficios de las rigurosas
pruebas hechas a cabo por grupos de investigadores en universidades.
Esta revolución en tecnología de detectores es el motor de los descubrimientos que se realizarán con Spitzer.
Otro importante desarrollo técnico que permite reducir la masa del Observatorio, y por tanto los costos de lanzamiento, es la
óptica ligera. Los espejos primarios y secundarios de Spitzer y las estructuras de apoyo, están fabricadas casi en su
totalidad de berilio. Este material tiene un cociente dureza/densidad muy alto, una conductividad térmica alta y un calor
específico criogénico bajo. La masa total del telescopio de Spitzer es de menos de 50 kg. El montaje del telescopio de berilio
no sufre de las complicaciones provocadas por la expansión térmica y sus dimensiones se mantendrán extremadamente
estables.
El espejo primario de 85 cm de Spitzer está fabricado de berilio ligero.
NASA/JPL
El espejo primario de 85 cm de diámetro está diseñado para operar a temperaturas de 5.5 K, con un error en el frente de
onda de menos de 0.07 ondas. El telescopio Spitzer tiene un diseño Ritchey-Chretien y permitirá alcanzar el límite de
difracción a longitudes de onda de más de 6.5 micras.
Elección Inteligente de la Orbita
Representación artística de la órbita solar de Spitzer
NASA/JPL
Una parte clave del re-diseño de Spitzer fue abandonar la idea de una órbita terrestre y sustituirla por una órbita
heliocéntrica siguiendo a la Tierra. En otras palabras, el Observatorio será puesto en una órbita de forma que siga a la Tierra
en su camino alrededor del Sol.
Spitzer se irá alejando de la Tierra a una velocidad de ~ 0.1 AU/año. [Una AU, o Unidad Astronómica, es la distancia media
entre el Sol y la Tierra, aproximadamente unos 150 millones de kilómetros]. Debido a que el Observatorio tiene que ser
enfriado a unos pocos grados por encima del cero absoluto, esta órbita ofrece un ambiente térmico más benigno que
cualquier órbita terrestre. La Tierra no solo refleja luz visible procedente del Sol sino que también emite radiación infrarroja.
Cualquier satélite en una órbita terrestre razonable se encuentra rodeado de un medio con temperaturas mayores de 250 K.
La órbita heliocéntrica pondrá a Spitzer en el espacio "profundo," donde la temperatura ambiente está entre 30 y 40 K. Esto
permitirá que Spitzer tenga que llevar consigo mucho menos helio líquido que si estuviera en una órbita terrestre.
Otra ventaja de la órbita solar es que Spitzer tendrá una gran vista instantanea del cielo. Observatorios tan sensibles como
Spitzer y el Telescopio Espacial Hubble (Inglés) deben evitar mirar hacia (o cerca) de cualquier objeto brillante como el Sol,
la Tierra y la Luna. La vista de Spitzer del cielo tendrá dos limitaciones (ver figura abajo). La primera es que el Observatorio
no puede apuntar a menos de 80 grados de la direccion del Sol, para minimizar el calentamiento térmico del telescopio por
la radiación solar. El segundo es que no puede apuntar a más de 120 grados de la dirección del Sol, por la necesidad de
iluminar los paneles solares, fuente de energía del Observatorio.
Geometría de la vista del cielo por Spitzer
NASA/JPL
La ventana de visibilidad de Spitzer en el cielo tendrá forma de anillo, perpendicular a la eclíptica y de una anchura de 40
grados. En la eclíptica, cada región del cielo será mínimamente visible dos veces al año por dos periodos de unos 40 días
cada uno. La ventana de visibilidad se incrementa a unos 120 días a una latitud de 30 grados y a 200 días a 60 grados,
alcanzando visibilidad constante en los polos (medido todo ello desde la eclíptica). Aproximadamente un tercio del cielo será
instantáneamente visible en cualquier momento. Esta ventana de visibilidad tan ancha en el cielo simplificará la organización
de las observaciones y la operación de Spitzer y permitirá que se alcance una eficiencia observacional muy alta.
Visibilidad del Cielo por Spitzer en coordenadas eclípticas (arriba), ecuatoriales (centro) y galácticas (abajo).
NASA/JPL
Innovadora Arquitectura Criogénica
Los telescopios infrarrojos espaciales han sido hasta ahora encapsulados dentro de un crióstato gigante que contiene el
helio líquido super-fluido necesario para regrigerar el telescopio a temperaturas cerca del cero absoluto. Esta configuración
es conocida como arquitectura de "lanzamiento frio" (abajo izquierda). A diferencia de IRAS e ISO (Inglés), Spitzer va a
adoptar una innovadora arquitectura de "lanzamiento tibio" (ver figura abajo). El Observatorio será lanzado a temperatura
ambiente y se enfriará radiativamente (o pasivamente) en el espacio. Sólo los instrumentos en el plano focal y el crióstato de
helio líquido serán encapsulados en una cámara de vacío.
La arquitectura criogénica de "lanzamiento tibio" adoptada por Spitzer (derecha) reduce substancialmente el peso del observatorio y sus gastos
de desarrollo. Nótese como el tamaño del telescopio (indicado en rojo) es idéntico en los dos diseños. La reducción del tamaño del crióstato (en
azul) permite que el observatorio pueda ser mucho mas pequeño.
NASA/JPL
Es importante reconocer que la arquitectura de "lanzamiento tibio" es posible gracias a la elección de la órbita. Spitzer se
encontrará en un espacio relativamente frío (lejos de la Tierra) lo que permitirá que, pasadas unas semanas desde su
lanzamiento, el Observatorio se haya enfriando pasivamente a una temperatura de menos de 40 K. En ese momento el
telescopio será desacoplado térmicamente de la parte exterior del montaje criogénico del telescopio (cryogenic telescope
assembly, CTA). La evaporación del helio líquido produce un vapor que enfría el CTA a la temperatura operacional de 5.5 K.
Con esta innovadora arquitectura de lanzamiento, combinada con 360 litros de helio líquido, se estima que la vida de la
misión será de unos cinco años. Es comparación, IRAS utilizó 520 litros de criogeno durante su misión de 10 meses e ISO
usó 2140 litros para completar su misión de casi 2.5 años.
El beneficio más obvio de esta arquitectua es la reducción substancial del tamaño del Observatorio y consiguientemente de
los costos de lanzamiento. Spitzer será lanzado en un cohete Boeing Delta-II (Inglés) modificado, en vez de un cohete Titán
o Atlas más grandes y caros.
Un beneficio secundario de la arquitectura de "lanzamiento tibio" es que simplifica las pruebas y la integración en tierra
previas al lanzamiento. Sin la necesidad de poner el Observatorio en un crióstato, es más fácil y menos costoso probar los
diferentes subsistemas durante la integración del Observatorio antes del lanzamiento.
La arquitectura de "lanzamiento tibio" y el enfriamento pasivo en el espacio profundo es el futuro de los observatorios
infrarrojos espaciales. Este enfoque más económico está también siendo adoptado, con algunas variaciones, en el diseño de
telescopios infrarrojos de gran apertura, como el Telescopio Espacial de Próxima Generación (Inglés) (Next Generation
Space Telescope).
Telemetría de Almacenamiento y Deshecho
NASA/JPL
Haciendo uso a bordo de una memoria de estado sólido y de un "software" para la compresión de datos sin pérdida, Spitzer
adoptará una filosofía de almacenamiento y deshecho para la tranferencia de datos a la Tierra. La antena de alto
rendimiento acoplada al extremo de Spitzer está fija, de modo que la nave tendrá que interrumpir la toma de obsevaciones
una o dos veces al día para apuntar el Observatorio hacia la Tierra y así proceder a la transferencia de los datos. La
telemetría la proporcionará la Red de Espacio Profundo de la NASA (Inglés) (Deep Space Network), con ventanas de
comunicación de una hora cada 12 o 24 horas.
Los nuevos horarios de observación serán transmitidos al telescopio una vez a la semana, aunque la telemetría permite
contactos más frecuentes (especialmente al principio de la misión). La velocidad media de adquisición de datos es de 85
kilobits por segundo (kbps). La capacidad de almacenamiento a bordo de 8 Gigabits permité la transmisión de un día entero
de datos en el caso de que se pierda un pase de telemetría.
La elección de la órbita y los requisitos de la telemetría permiten que Spitzer se dedique la mayor parte de su tiempo a
obtener observaciones científicas. Se estima que Spitzer hará más de 100,000 observaciones a lo largo de su vida.
Administración del Programa
En la mayoría de los programas espaciales, el diseño y los objetivos de la misión son completados primero y los contratistas
son incorporados después. Para minimizar gastos, el proyecto de Spitzer se realizó con un enfoque diferente. Los miembros
del proyecto, incluyendo los contratistas industriales, fueron solicitados al principio, para permitir que todos participaran en el
proceso preliminar de diseño. Todo el grupo de Spitzer trabajó unido durante estas fases de diseño y desarrollo.
El Laboratorio de Propulsión a Reacción (Inglés) (Jet Propulsion Laboratory) de Caltech, en Pasadena (California), es el
responsable de la administración general del programa, de los sistemas de ingeniería y de la operación de vuelo. Lockheed
Martin Space Systems Company (Inglés) (Sunnyvale, California) es la responsable de el nave espacial y de los sistemas de
integración y verificación. Ball Aerospace and Technologies Corporation (Inglés) (Boulder, Colorado) es responsable del
montaje criogénico del telescopio (cryogenic telescope assembly, CTA). Los tres instrumentos científicos, que forman parte
del CTA, fueron diseñados y construidos por equipos de investigadores pertenecientes a universidades. El desarrollo de la
Cámara de Arreglo Infrarrojo (Infrared Array Camera) fue llevado a cabo por el Observatorio Astrofísico Smithsoniano
(Inglés) (Cambridge, Massachusetts) y su construcción estuvo a manos del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la
NASA (Inglés) (Greenbelt, Maryland). El Espectrógrafo Infrarrojo fue diseñado y construido en la Universidad Cornell (Inglés)
(Ithaca, New York), mientras que el Fotómetro de Imagenes en Multibanda de Spitzer (Multiband Imaging Photometer for
Spitzer) fue diseñado y fabricado en la Universidad de Arizona (Inglés) (Tucson, Arizona). Las operaciones científicas de
Spitzer se coordinan desde el Centro Científico de Spitzer (Spitzer Science Center) en el campus del Instituto Tecnológico de
California (Inglés) en Pasadena.
Herencia
Interpretación de un artista
de IRAS en orbita
NASA/IPAC
Spitzer se construye sobre sólidos cimientos científicos y tecnológicos establecidos por dos satélites infrarrojos espaciales
anteriores. Ambas misiones demostraron los fundamentos de la tecnología criogénica y el beneficio considerable de los
telescopios e instrumentos espaciales enfriados con helio líquido.
NASA/IPAC
El Saltélite Astonómico Infrarrojo (InfraRed Astronomical Satellite, IRAS), una misión Explorer de la NASA, realizó, en 1983,
el primer censo del cielo a longitudes de onda del infrarrojo térmico. Resultado de una colaboracion entre Estados Unidos,
los Paises Bajos y Gran Bretaña, IRAS abrió un nuevo capítulo en la exploración astronómica. Utilizando un telescopio de 57
centímetros de diámetro enfriado criogénicamente a una temperatura de 4 K, IRAS voló durante 10 meses alrededor de la
Tierra a una altura de 900 km en órbita polar. La misión finalizó cuando se acabó el helio líquido refrigerante.
Se hiceron mapas del noventa y seis por ciento del cielo en cuatro bandas anchas de longitudes de onda, centradas a 12,
25, 60 y 100 micras. Los cientos de miles de fuentes infrarrojas detectadas por IRAS doblaron el número de fuentes
catalogadas por los astrónomos. En las dos décadas siguientes a esta innovadora y exitosa misión, los científicos han
publicado miles de artículos basados en datos de IRAS, estableciendo el marco para todos los siguientes observatorios
infrarrojos.
El cielo entero, observado por IRAS en longitudes de onda infrarroja y proyectado con una resolución de 0.5 grados. La banda horizontal brillante
es el plano de la Vía Láctea, con el centro de la Galaxia localizado en el centro de la imagen. Los colores representan la emisión infrarroja
detectada en tres de de las cuatro bandas de longitud de onda (el azul corresponde a 12 micras, el verde a 60 y el rojo a 100). El material más
caliente emite a longitudes de onda más cortas. La estructura difusa horizontal en forma de S que cruza la imagen pertenece a la emisión débil
que prodecde del polvo en el plano del Sistema Solar. Entre los objetos discretos que se ven en la imagen se encuentran regiones de formación
estelar en la constelación de Ophiuchus (encima del Centro Galáctico) y Orión (los dos puntos más brillantes debajo del plano de la Galaxia a la
derecha). La Gran Nube de Magallanes, una galaxia satélite de la Vía Láctea, es el punto relativamente aislado debajo del plano, a la derecha del
centro. Las bandas negras correspoden a regiones no observadas por IRAS.
NASA/IPAC
IRAS descubrió discos de polvo alrededor de estrellas cercanas, que se piensa corresponden a un paso evolutivo en la
formación de sistemas planetarios. El satélite tambien descubrió la existencia de "cirros infrarrojos" o granos de polvo en
toda la Vía Láctea. IRAS identificó una clase de galaxias "starburst," cuya luminosidad se debe al nacimiento de un número
muy grande de estrellas masivas.
La constelación de Orión, tan familiar en el cielo invernal, muestra un contraste espectacular entre la imagen obtenida en luz visible (izquierda) y
la vista por IRAS en el infrarrojo (derecha). El mosaico en color falso de IRAS cubre una región de 30x24 grados de extensión y se ha realizado a
partir de los datos a 12, 60 y 100 micras. Nuevas técnicas de procesamiento de datos se han empleado para resaltar los detalles mas débiles y
para eliminar los artefactos instrumentales. Las regiones más calientes -- las estrellas -- son más brillantes a 12 micras y se muestran en azul. El
polvo interestelar más frío es más brillante a 60 micras (verde) y 100 micras (rojo).
(izquierda) Akira Fujii, (derecha) NASA/IPAC
Interpretación de un artista
de ISO orbitando alrededor
de la Tierra
ESA
El Observatorio Espacial Infrarrojo (Inglés) (Infrared Space Observatory, ISO), una piedra angular de la Agencia Espacial
Europea, fue lanzado a finales de 1995. ISO empleó cuatro instrumentos científicos para estudiar el cosmos a longitudes de
onda desde 2.5 a 240 micras. Haciendo uso de un telescopio criogénico de 60 cm de diámetro y de los primeros conjuntos
de detectores infrarrojos en el espacio, ISO constituyó una mejora muy importante de la capacidad de observación.
Operando en una órbita áltamente elíptica, ISO daba una vuelta a la Tierra una vez al día, durante su misión de 30 meses. A
diferencia de IRAS, ISO fue utilizado para realizar observaciones de objetos individuales, llevando a cabo unas 28,000
observaciones diferentes.
Aunque el satélite ha dejado de funcionar, la investigación llevada a cabo a partir de los datos del archivo de ISO continúa
hoy en día. Entre los resultados más importantes de ISO está el descubrimiento de que el agua es muy abundante en toda la
Galaxia. Sus alta capacidad espectroscópica sin precedentes permitió a ISO descubrir y caracterizar muchas moléculas
interestelares nuevas. Más aún, ISO confirmó y extendió muchos de los descubrimientos de IRAS, incluyendo la existencia
de discos de polvo circunestelares, futuro lugar de formación de planetas.
Otros experimentos aéreos (Kuiper Airborne Observatory) y espaciales (COBE/FIRAS, IRTS, MSX) han hecho importantes
contribuciones al campo de la Astronomía infrarroja. Spitzer supone un salto generacional en Astronomía infrarroja,
proporcionando mejoras de un orden de magnitud en capacidad de observación, superando cualquiera de los observatorios
infrarrojos del presente y del pasado.
Spitzer irá más allá de cualquier misión infrarroja espacial criogénica haciendo uso extensivo -- en imagen y espectroscopía - de los conjuntos de detectores infrarrojos más grandes que están empezando a ser usados en el campo de la Astronomía.
La Ciencia de Spitzer
El Por Qué de la Astronomía Infrarroja
El potencial científico de Spitzer está anclado en cuatro principios físicos básicos que definen la importancia del infrarrojo en
la investigación de fenómenos astrofísicos. La región infrarroja es parte del espectro electromagnético, y se extiende de 1
micra (cercano infrarrojo) a 200 micras (lejano infrarrojo). Los ojos humanos sólo son sensibles a la luz entre 0.4 y 0.7
micras.
Crédito: UCSB/K.Kline
Las observaciones Infrarrojas revelan los estados fríos de la materia.
Los objetos sólidos en el espacio -- desde el tamaño de un grano de polvo interestelar (de menos de una micra) hasta los
planetas gigantes -- tienen temperaturas que van de 3 a 1500 grados Kelvin (K). La mayoría de la energía irradiada por
objetos en este rango de temperaturas se encuentra en el infrarrojo. Las observaciones infrarrojas son por lo tanto de
particular importancia en el estudio de medios a baja temperatura, como son las nubes interestelares con mucho polvo,
donde las estrellas se están formando, así como las superficies heladas de los satélites planetarios y los asteroides.
Las observaciones Infrarrojas exploran el
Universo Oculto.
Los granos de polvo cósmico oscurecen partes del Universo,
bloqueando la luz que llega de regiones críticas. Este polvo se
vuelve transparente en el cercano infrarrojo, donde los
observadores pueden estudiar regiones ópticamente invisibles
como el centro de nuestra Galaxia (y de otras galaxias) y densas
nubes donde las estrellas y los planetas están naciendo. Para
muchos objetos, incluyendo las estrellas en regiones con mucho
polvo, los núcleos galácticos activos e incluso galaxias enteras,
la radiación visible abosorbida por el polvo y re-emitida en el
infrarrojo constituye la mayor parte de su luminosidad.
Créditos: (izquierda) Howard McCallon, (dercha) NASA/2MASS/IPAC
Las observaciones Infrarrojas
proporcionan acceso a muchas lineas
espectroscópicas.
Las bandas de emisión y absorción de virtualmente todas las
moléculas y los sólidos se encuentran en el infrarrojo, donde
pueden usarse para estudiar las condiciones físicas y químicas
de ambientes relativamente fríos. Muchos átomos y iones tienen
lineas espectrales en el infrarrojo, que pueden usarse para
estudiar las atmósferas estelares y el gas interestelar,
explorando regiones que son demasiado frías o con demasiado
polvo para ser estudiadas en luz visible.
Crédito: ESA/ISO, SWS, A.F.M. Moorwood
Las observaciones Infrarrojas estudian el Universo Jóven.
El corrimiento al rojo cósmico, que resulta de la expansión general de Universo, desplaza
la energía inexorablemente hacia longitudes de onda largas, siendo el corrimiento
proporcional a la distancia del objeto. Debido a la velocidad finita de la luz, los objetos con
un gran corrimiento al rojo se observan según eran cuando el Universo era mucho más
joven. Como resultado de la expansión del Universo, la mayoría de la radiación óptica y
ultravioleta emitida por las estrellas, las galaxias y los quasares desde el principio de los
tiempos, ahora se encuentran en el infrarrojo. Cómo y cuándo los primeros objetos del
Universo se formaron será esclarecido en gran parte gracias a las observaciones
infrarrojas.
Crédito: NASA/HST/R. Williams
Aparte de unas estrechas ventanas en el infrarrojo cercano, toda la radiación infrarroja emitida por objetos celestes es
absorbida por la atmósfera de la Tierra. Es por ello que es necesario el empleo de observatorios infrarrojos con gran
sensibilidad, como Spitzer.
Resumen Científico
Spitzer es el componente infrarrojo de la familia de la NASA de Grandes Observatorios, y su misión es estudiar una gran
variedad de fenómenos astronómicos que van desde nuestro Sistema Solar hasta los confines más distantes del Universo
joven. Proporcionando una cobertura de longitudes de onda de 3 a 180 micras, Spitzer constituye un importante
complemento científico al Telescopio Espacial Hubble (Inglés) y al Observatorio Chandra de Rayos X (Inglés). Las longitudes
de onda más pequeñas del infrarrojo (el cercano infrarrojo) permiten ver a través de regiones muy oscurecidas por el polvo,
de forma que los astrónomos puedan estudiar estrellas recién nacidas. Las longitudes de onda largas (lejano infrarrojo) son
muy útiles para estudiar las distribución del polvo en la Vía Láctea, un ingrediente importante para la formación de planetas y
estrellas.
Créditos: (a) NASA/HST, (b) NASA/Spitzer, (c) NASA/CXO
Cerca de un 80% del tiempo de observación de Spitzer estará disponible a la comunidad científica en general, a través de un
concurso de propuestas de observación organizado por el Centro Científico Spitzer. Hasta la fecha, una quinta parte de la
misión de Spitzer (asumiendo que durará 5 años) ha sido definida a través de los Programas de Legado Científico, el Censo
a Primera Vista y el Tiempo de Observación Garantizado. Las solicitudes de información sobre el balance de los programas
científicos tendrá lugar anualmente, empezando poco después del lanzamiento. Las solicitudes de tiempo de observación
con Spitzer serán examinadas por colegas en un proceso competitivo.
Una de las consecuencias del re-diseño de Spitzer a principios de los años 90 fue la decisión de que hiciera grandes
contribuciones en estos cuatro campos de investigación:
La Búqueda de Enanas Marrones y Super-Planetas
Estos objetos tienen muy poca masa para que se puedan producir las reacciones nucleares
que son la fuente de energía en las estrellas, pero son más grandes y calientes que los
planetas de nuestro Sistema Solar. Los astrónomos están ahora empezando a detectar estos
objetos tan buscados y es interesante saber hasta qué punto pueden contribuir a la materia
oscura que domina en el Universo. Spitzer proporcionará información muy valiosa sobre su
número y sus características físicas.
Crédito: NASA/IPAC/R. Hurt
El Descubrimiento y Estudio de Discos de Polvo de Segunda
Generación (o Discos de "Debris") Alrededor de Estrellas
Cercanas.
Crédito: ESO/VLT/J.L. Beuzit
(Obs. Grenoble) et al.
Spitzer determinará la estructura y composición de los discos de polvo y gas que rodean a las
estrellas cercanas. Los discos proto-planetarios de polvo y gas y los discos de polvo de "segunda
generación," un estado de evolución posterior en el que la mayor parte del gas ha desaparecido,
se cree que forman parte del proceso de formación de sistemas planetarios. Mediante la
observación de estos discos en varios estados de evolución , Spitzer podrá estudiar la
transformación de una nube de polvo y gas sin estructura en un sistema planetario.
Crédito: NASA/HST/R. Thompson
(Univ. Arizona)
El Estudio de Galaxias Infrarrojas Ultraluminosas y Núcleos Galácticos Activos
Muchas galaxias emiten más radiación a longitudes de onda infrarrojas que en el resto de las regiones del espectro
electromagnético combinadas. Estas galaxias infrarrojas ultraluminosas pueden estar energetizadas por intensos eventos de
formación estelar estimulados por una colisión de galaxias o por núcleos galácticos activos ocultos por el polvo (incluyendo
quasares) energetizados a su vez por la presencia de un enorme agujero negro. Spitzer estudiará el origen y evolución de
estos objetos hasta distancias cosmológicas.
El Estudio del Universo Joven
El corrimiento al rojo cosmológico es debido a la expansión del Universo, y hace que la luz de los
fenómenos astronómicos se vea a longitudes de onda más grandes. Los objetos que presentan un
corrimiento al rojo más grande se ven según eran hace mucho tiempo, cuando el Universo era
mucho más joven. La mayoría de la radiación óptica y ultravioleta emitida por las estrellas y las
galaxias desde el principio del Universo está ahora corrida hacia el infrarrojo. Spitzer
proporcionará importante información sobre cuándo y cómo se formaron las primeras estrellas y
galaxias.
Crédito: NASA/HST/R.
Williams (STScI)
Estos interesantes temas científicos están directamente relacionados con el Programa de Búsqueda Astronómica de los
Orígenes de la NASA (Inglés), cuyo objetivo es entender los orígenes del Universo, las galaxias, las estrellas y los planetas.
El re-diseño de Spitzer (obligado tras un drástico recorte de su presupuesto) se llevó a cabo con estos temas científicos en
mente, pero debemos enfatizar que las grandes capacidades de Spitzer serán aplicadas a un rango más amplio de campos
astronómicos. Spitzer ofrece capacidades sin precedentes en un observatorio espacial y la historia ha demostrado
repetidamente que esto da lugar a descubrimientos fortuitos de fenómenos no conocidos. !Con Spitzer los astrónomos
esperan lo inesperado!
Planetas
Spitzer estudiará algunos de los planetas conocidos y sus lunas, así como los cometas, asteroides y el polvo esparcido a
través del Sistema Solar. El Observatorio empleará una parte considerable de su tiempo en estudiar los discos
circunestelares (que rodean a las estrellas) de polvo y gas que se encuentran en las estrellas cercanas y que se piensa
formarán eventualmente sistemas planetarios 'extrasolares' (fuera de nuestro Sistema Solar).
Los Planetas Exteriores
Los objetos como el Sol y la Luna son demasiado brillantes y saturarían los sensibles detectores de estado sólido de Spitzer.
Los principales objetivos planetarios en el Sistema Solar serán los planetas exteriores, para los cuales no existen por el
momento planes para una exploración robótica. Spitzer apenas podrá resolver espacialmente los detalles en Urano y
Neptuno, pero las imágenes y la espectroscopía serán capaces de detectar las diferencias de temperatura y composición
química en sus atmósferas. El diámetro de Plutón es más pequeño que un pixel de Spitzer, y por lo tanto el planeta no
estará espacialmente resuelto. Las observaciones se limitarán a la caractericación global de las propiedades térmicas de la
superficie helada del planeta.
<H4LUNAS< H4>
Urano
Neptuno
Plutón
NASA/JPL/Voyager 2
NASA/JPL/Voyager 2
NASA/ESA/HST
Spitzer será capaz de estudiar y caracterizar las lunas más grandes de Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno. En particular se
hará énfasis en Titán, el satélite natural más grande de Saturno. Esta luna intrigante tiene una atmósfera que será visitada
por la nave espacial Cassini en el año 2004, coincidiendo con la misión principal de Spitzer. Las observaciones de Spitzer
serán capaces de establecer el contexto global para los resultados de la misión Cassini y Huygens, ayudando a los
científicos a entender la composición y los cambios a gran escala en la atmósfera de Titán. Spitzer llevará también a cabo
observaciones de Tritón, la luna más grande de Neptuno.
Asteroide Ida
NASA/JPL/Galileo
Titán
Tritón
NASA/JPL/Voyager 2
NASA/JPL/Voyager 2
Cometas
Cometa Encke
Los cometas son objetos muy interesantes para su estudio con Spitzer debido a que en ellos se
encuentra el material primitivo que ha sobrevivido desde la época de la formación del Sistema
Solar. El observatorio examinará los cometas a grandes distancias del Sol y los estudios incluirán
la estructura y composición del polvo cometario y del hielo y su comparación con granos de polvo
y partículas de hielo similares que se encuentran en otros ambientes astronómicos. En el 2003, el
cometa Encke pasará a 0.2 AU de Spitzer, ofreciendo una inusual oportunidad de que el
Observatorio lleve a cabo un estudio infrarrojo que pueda complementar el estudio hecho desde la
Tierra y desde la nave espacial CONTOUR.
NOAO/KPNO/J. Scotti
Asteroides
Hay unos 11,000 asteroides con órbitas conocidas, y un número cuatro veces mayor con resultados preliminares sobre sus
órbitas. A pesar de ello sólo 2,000 tienen albedos y diámetros conocidos, la mayoría de más de 10 km de diámetro. Se
estima que hasta un millón de asteroides de 1 km de tamaño se encuentran en el Cinturón Zodiacal entre Marte y Júpiter. La
grandes variaciones encontradas en la luz reflejada (visible) por los asteroides complica cualquier intento de caracterizar su
distribución de tamaño. Por lo tanto, Spitzer utilizará medidas de la emisión térmica infrarroja para obtener una mejor idea de
los asteroides con tamaños de menos de 10 km.
Objetos en el Cinturón Kuiper
El Cinturón Kuiper se encuentra más allá de la órbita de Neptuno y contiene unos 100,000
objetos débiles y helados. Esta reserva distante es la fuente de cometas con periodos
cortos y grandes eccentricidades. Hasta la fecha, los astrónomos han descubierto solo
unos pocos cientos de estos objetos. Debido a su débil luz, los KBO son dificiles de
detectar a través de su luz reflejada. Spitzer detectará su débil emisión térmica y
Objeto en el Cinturón Kuiper 1993 SC
determinará sus albedos y sus propiedades físicas.
PPARC/NOW, Isaac Newton Telescope,
A. Fitzsimmons et al.
zodiacal polvo y cometa
P. Kalas
Polvo
El polvo interplanetario se encuentra por todo el Sistema Solar y es el resultado de la colisión de cometas y asteroides. Este
polvo zodiacal se encuentra en el mismo plano eclíptico en el cual los planetas orbitan alrededor del Sol. Los estudios de
este polvo no solo son intrínsicamente interesantes sino que son necesarios para filtrar la emision que se detecta cuando se
estudian objetos débiles fuera del Sistema Solar. Una propiedad de la órbita de Spitzer es que el Observatorio atravesará la
nube de polvo que sigue a la Tierra en su órbita alrededor del Sol, proporcionando una oportunidad única para caracterizar
la estructura y la evolución del polvo. Más aún, el estudio de la influencia de los cuerpos grandes (como los planetas) en la
morfología del polvo es muy importante en la interpretación de los resultados de las observaciones de los discos
circunestelares de las estrellas cercanas.
Discos Circunestelares y Planetas Extrasolares
El Satélite Astronómico Infrarrojo (Inglés) (IRAS) descubrió la presencia de discos de polvo alrededor de unas cuantas
estrellas cercanas. Estos discos circunestelares se piensa que son una característica común de la evolución de sistemas
planetarios en formación. Ningún telescopio solo, ni en operación ni planeado para el futuro inmediato, tiene la resolución
espacial adecuada para detectar directamente los planetas alrededor de otras estrellas.
Disco alrededor de Beta Pictoris
ESO/VLT, J.L. Beuzit et al.
Disco alrededor de HD
141569
NASA/HST/Weinberger et al.
Spitzer será capaz de detectar y caracterizar discos circunestelares de estrellas cercanas,
proporcionando información clave sobre la formación de sistemas planetarios 'extrasolares'.
Es extremadamente difícil detectar discos de polvo a longitudes de onda visibles debido a que
su luz es mucho más débil que la de las estrellas. Pero en el infrarrojo la diferencia entre la
emisión de la estrella y del disco se reduce drásticamente. Spitzer estudiará cientos de
estrellas cercanas para determinar la frecuencia en la que apararecen estos discos. También
utilizará imágenes y espectroscopía para caracterizar la estructura espacial y la composición
de los discos. Estos datos proporcionarán información muy valiosa sobre la frecuencia y
naturaleza de otros sistemas planetarios.
Interpretación artística de los
estudios de Spitzer sobre el disco
circumestelar de Vega.
NASA/JPL
Estrellas
Spitzer proporcionará importante información sobre la formación y la evolución de las estrellas y del medio circunestelar (que
rodea a la estrella). El descubrimiento y la caracterización de los discos circunestelares de gas y polvo, señales de los
sistemas planetarios extra-solares, es uno de los objetivos científicos más importantes de la misión Spitzer.
Nubes Moleculares
Las nubes moleculares gigantes, compuestas principalmente de hidrógeno, constituyen la
reserva de materiales de los cuales se forman las estrellas. Estas nubes, dispersas por el medio
interestelar de nuestra Vía Láctea, contienen suficiente gas y polvo para formar cientos de miles
de estrellas como el Sol. Spitzer estudiará la temperatura y densidad de las nubes moleculares
para caracterizar las condiciones físicas y composiciones químicas del material del cual se
forman las protoestrellas.
La Nebulosa del Aguila
NASA/HST/ J. Hester & P. Scowen
Formación Estelar
Las estrellas nacen dentro de núcleos de polvo y de gas molecular denso, siendo en su mayoría invisibles en luz óptica. La
luz en el cercano infrarrojo, a longitudes de onda de unas pocas micras, puede pasar a través del velo de polvo. Spitzer
empleará su cámara de longitud de onda corta para estudiar el proceso de formación y la evolución de objetos estelares
jóvenes en su primer millón de años de vida. (Este se trata de un periodo de tiempo breve en términos astronómicos, donde
la mayoría de las estrellas viven por miles de millones de años.) Las observaciones de Spitzer revelarán también qué
fracción de estrellas se forman en cúmulos.
OMC-1 (visible/infrarrojo)
NASA/HST/C.R. O'Dell (WFPC2), R. Thompson (NICMOS)
Discos Circunestelares
Una fracción sustancial del tiempo de observación de Spitzer estará dedicado al estudio de los discos circunestelares de
polvo (que rodean a la estrella). Se piensa que estos discos aplanados alrededor de las estrellas jóvenes son característicos
de la evolución y formación de sistemas planetarios. Los discos protoplanetarios contienen gas y polvo y proporcionan los
materiales a partir de los cuales se forman los sistemas planetarios. Los discos planetarios de polvo de segunda generación
(discos de "debris") representan una etapa posterior en la evolución, donde la mayoría del gas se ha disipado. Estos discos
están compuestos en su mayoría de pequeños granos de polvo, presuntamente generados por la colisión de pequeños
planetesimales y grandes cuerpos rocosos.
Spitzer será capaz de detectar y caracterizar los discos circunestelares de las estrellas más cercanas, proporcionando
información clave sobre la formación de sistemas planetarios. La detección de estos débiles discos en luz visible es
extremadamente difícil porque la estrella es mucho más brillante. Pero la diferencia relativa entre el brillo de la estrella y el
disco disminuye en el infrarrojo, donde Spitzer realizará las observaciones. Spitzer estudiará cientos de estrellas cercanas
para determinar la frecuencia de estos discos. También empleará imagen y espectroscopía para caracterizar la estructura
espacial y la composición de los discos. Estos datos serán muy valiosos para determinar la frecuencia y naturaleza de
sitemas planetarios como el nuestro.
Silueta de Disco Protoplanetario
NASA/HST/M. McCaughrean
Disco Planetario de Polvo de Segunda Generación ("Debris Disk")
Alrededor de HD 141569
NASA/HST/A. Weinberger
Estrellas Enanas y de Baja Masa
Aunque son las estrellas más brillantes y masivas las que dominan en el cielo
nocturno, la mayoría de la masa estelar en las galaxias se encuentra en estrellas de
baja luminosidad y baja masa. Estas estrellas viven por miles de millones de años,
pero son más débiles y más frías que nuestro Sol, y por tanto son difíciles de
detectar en luz visible. Spitzer detectará estos objetos en el infrarrojo. Una atención
especial se pondrá al descubrimiento y caracterización de enanas marrones. Estos
objetos son demasiado pequeños para mantener reacciones termonucleares, que
Representación artística de una Enana Marrón
son las que definen a una estrella, y por tanto estos objetos irradian principalmente
NASA/IPAC/R. Hurt
en el infrarrojo. Las existencia de enanas marrones era tan solo una teoría cuando
Spitzer fue diseñado. Desde mediados de los años 90, varios telescopios y censos astronómicos, como 2MASS, han
identificado unos pocos cientos de estos objetos con temperaturas de menos de 2000 K. Spitzer detectará miles de enanas
marrones, incluyendo aqueñas tan solo un poco más grandes que Júpiter, y por tanto proporcionando un número
suficientemente grande para hacer análisis estadísticos.
Cúmulos Estelares
Las observaciones de Spitzer en este campo se centrarán principalmente en cúmulos abiertos (o
galáticos), sistemas gravitacionalmente ligados de miles de estrellas jóvenes que se encuentran
típicamente en el plano de nuestra Galaxia. Se piensa que los cúmulos albergan enanas marrones
débiles. Spitzer llevará a cabo una búsqueda de estos débiles miembros de los cúmulos (hasta
ahora invisibles) detectando masas de más de 10 veces la masa de Júpiter.
Cúmulo Pleiades
AAO/ROE/D. Malin
Estrellas Evolucionadas
Spitzer llevará a cabo varios programas de investigación de los estados ulteriores evolutivos de las estrellas. Una vez que la
mayoría del combustible termonuclear se ha agotado después de decenas o miles de millones de años, una estrella como el
Sol entrará en un estado rápidamente cambiante, estando su destino determinado por la masa inicial de la estrella. Durante
las últimas etapas de su vida, la estrella típicamente expulsará material en forma de gas procedente de sus capas más
externas, a través de explosiones periódicas (como una nova), o a través de explosiones cataclísmicas violentas
(supernova). Spitzer estudiará los materiales expulsados por la estrella que forman las nebulosas planetarias,
proporcionando información sobre la temperatura y composición del material expulsado y sobre la tasa de pérdida de masa
de la estrella. El gas y el polvo expulsados por la estrella moribunda son un importante constituyente del medio interestelar y
su estudio es fundamental para entender no sólo cómo mueren las estrellas sino cómo nacen las estrellas de la siguiente
generación.
Nebulosa del Ojo de Gato
Nebulosa del Reloj de Arena
NCG 7027
NASA/HST/P. Harrington
NASA/HST/R. Sahai & J. Trauger
NASA/HST/W. B. Latter
Medio Interestelar
Vapor de Agua en Orión
ESA/ISO/C.M. Wright
Intercalado entre las estrellas se encuentra el ténue medio interestelar (ISM) compuesto de
granos de polvo y gas atómico y molecular. El polvo absorbe luz visible y ultravioleta, lo que
hace que incremente su temperatura y re-emita la luz en el infrarrojo. Es más, la mayoría de
las lineas espectrales más importantes producidas por el gas en el medio interestelar se
encuentran también en el infrarrojo. Spitzer aprovechara esto para llevar a cabo estudios
espectroscópicos sobre el medio interestelar. Entre estas investigaciones se encuentran los
estudios sobre agua, hielos y moléculas orgánicas. Las observaciones de Spitzer en el
infrarrojo cercano permitirán hacer un mapa de las regiones centrales de la Vía Láctea,
proporcionando importante información que en luz visible está escondida por las grandes
concentraciones de polvo que se encuentran en las regiones centrales de la Galaxia.
Galaxias
Spitzer conducirá un exahustivo programa de toma de imágenes y espectroscopía de galaxias, desde las más cercanas a la
Vía Láctea hasta las que se encuentran en los límites del Universo observable.
Galaxias Infrarrojas Ultraluminosas (ULIRGs)
El satélite IRAS descubrió una clase de galaxias ultraluminosas que radían más del 90% de su
luz en el infrarrojo. Estudios ópticos e infrarrojos revelan que la mayoría de estos objetos se
encuentran en sistemas de galaxias en colisión o interacción. El estudio de la naturaleza de los
ULIRGs y su relación con las galaxias activas (ver el párrafo siguiente) constituye uno de los
problemas más importantes en astrofísica. Spitzer estudiará sus propiedades y su evolución a
distancias cosmológicas muy grandes y determinará la relación entre estas galaxias y los AGN.
Las medidas espectroscópicas determinarán las condiciones físicas de las regiones
opticamente invisibles en el interior de estas galaxias, proporcionando información sobre su
fuente de energía.
Arp 220
NASA/HST/R. Thompson
Galaxias Activas / Núcleos Galácticos Activos
Centaurus A
AAO/David Malin
Una galaxia activa se caracteriza por una radiación no térmica extremadamente intensa,
tipicamente a longitudes de onda de radio y rayos X, señal de que procesos muy
energéticos estan teniendo lugar en el centro de estas galaxias. La fuente de estas
energías se sospecha que es un gigante agujero negro situado en el núcleo de la galaxia.
Los quasares, las galaxias de radio y las galaxias Seyfert son todas galaxias activas.
Muchos de estos objetos están llenos de polvo, en cuyo caso pueden emitir grandes
cantidades de luz infrarroja. Spitzer observará galaxias AGN a grandes distancias en un
esfuerzo por entender la relación entre los diferentes tipos de AGNs, la evolución de sus
propiedades observables con el tiempo y los procesos físicos que dan lugar a la
producción de energía.
Galaxias Starburst
Las galaxias Starburst exhiben tasas inusualmente altas de formación estelar a gran escala y su
luz está por tanto dominada por la emisión óptica e infrarroja de estrellas jóvenes masivas. El
fenómeno "starburst" puede estar localizado cerca del centro de la galaxia o puede aparecer en el
disco galáctico. El aumento de la tasa de formación estelar se cree que es el resultado de una
colisión de galaxias o de un encuentro gravitacional en un sistema de galaxias en interacción.
Spitzer se aprovechará del hecho de que las galaxias "starburst" emiten enormes cantidades de
radiación infrarroja para llevar a cabo un estudio exhaustivo de su distribución y evolución en
escalas de tiempo cosmológicas.
Messier 82
Robert Gendler
Galaxias Normales
La mayoría de los sistemas estelares extragaláticos (fuera de nuestra Galaxia) son galaxias normales, que no presentan
ninguna de las características inusuales de las galaxias activas. Los astrónomos clasifican estas galaxias según su
morfología en espirales, elípticas, o irregulares. La sensibilidad y resolución espacial sin precedentes de Spitzer en mediano
y lejano infrarrojo permitirá a los astrónomos llevar a cabo estudios exhaustivos sobre las galaxias normales, desde las que
se encuentran cerca de la Vía Láctea, hasta las que se encuentran en los los confines del Universo joven. Medidas
sistemáticas del polvo, el gas y las estrellas que se encuentran en las galaxias situadas a una distancia de hasta diez
millones de años luz, proporcionarán a los astrónomos información para poder interpretar las observaciones de Spitzer de
galaxias mucho más distantes (y que por tanto se ven más pequeñas). Otros programas se encargarán de detectar los
débiles halos cuya existencia se infiere de los estudios dinámicos en las galaxias espirales, así como la construcción de
mapas de la distribución de hidrógeno molecular en los discos de las galaxias y el estudio de cómo la formación y la
evolución de las estrellas depende la metalicidad de la galaxia.
Messier 31 - Galaxia Andrómeda
Messier 104 - Galaxia Sombrero
Jason Ware
AAO/David Malin
Cúmulos de Galaxias
Las galaxias se encuentran normalmente en grandes cúmulos gravitacionalmente ligados que son muchas veces más
grandes que los cúmulos estelares. Un cúmulo rico contiene miles de galaxias y un inhomogeneo y calientísimo gas
intergaláctio que se puede detectar en rayos X. Spitzer investigará la producción de estrellas de baja masa y de enanas
marrones debido a los flujos fríos de gas que son atraidos gravitacionalmente al centro del cúmulo En una confirmación de la
Teoría de la Relatividad General (Inglés) de Einstein, los cúmulos masivos de galaxias actúan como lentes gravitacionales,
donde los objetos situados exactamente detrás de los cúmulos son aumentados en tamaño aparente por la masa del
cúmulo. Spitzer utilizará estos alineamientos fortuitos para tomar imágenes de galaxias distantes que de otra forma serían
demasiado débiles para poder observarse.
Cúmulo de Virgo
Lente Gravitacional en Abell 2218
SEDS/Univ. Arizona
NASA/HST/W. Couch
Medio Interestelar en Galaxias Externas
Los astrónomos saben que las galaxias no sólo contienen estrellas. El medio interestelar que
se encuentra entre las estrellas está constituido por polvo y gas atómico y molecular. Es este
medio interestelar el que proporciona las semillas para la formación estrelar. Spitzer no sólo
llevará a cabo un estudio exhaustivo sobre el medio interestelar en nuestra Galaxia sino que
también obtendrá datos muy valiosos sobre otras galaxias. Las medidas tomadas en las
Regiones de H II (hidrógeno ionizado) en galaxias cercanas proporcionará datos muy
importantes sobre cómo las formación de estrellas está relacionada a las propiedades
generales de la galaxia.
NGC 3603
NASA/HST/W. Brandner et al.
Universo
Censos Extragalácticos
La sensibilidad y eficiencia sin precedentes de Spitzer hace que el observatorio sea un
instrumento ideal para realizar censos infrarrojos extragalácticos (externos a nuestra Vía
Láctea). Al principio de la misión, Spitzer llevará a cabo una serie de censos de imagenes
en el mediano y lejano infrarrojo. Censos muy profundos y de una pequeña región del
espacio, incluyendo una centrada en el Campo Profundo Hubble (Inglés), estudiarán el
universo más jóven y distante con corrimientos al rojo de casi 5, lo que corresponde a
unos 12 mil millones de años. Censos menos profundos se llevarán a cabo en regiones
más amplias, lo que incrementará enórmemente el número de galaxias infrarrojas
catalogadas. Un censo cubrirá unos 70 grados cuadrados, o 350 veces más que el área
de la Luna llena, y llegará hasta un corrimiento al rojo de 2.5, correspondiendo a unos
diez mil millones de años luz. Estos censos revelarán más de 2 millones de galaxias, unas
30,000 galaxias por grado cuadrado. Y al igual que cualquier otro censo extragaláctico,
los datos de Spitzer se complementarán con otros programas de observación a otras
longitudes de onda y con otros telescopios espaciales y terrestres.
Campo Profundo Hubble - Norte
NASA/HST/R. Williams
Evolución de Galaxias
Mmontaje cortesía de NASA/IPAC/C. Lonsdale
Origen y Evolución de Galaxias
A un corrimiento al rojo cosmológico de 5, la luz visible emitida por galaxias jóvenes está corrida hacia el cercano infrarrojo,
lo que la sitúa dentro del régimen observacional de Spitzer. Los astrónomos aprovecharán ésto para observar protogalaxias
(Inglés) con polvo, que nacen en el Universo jóven y distante. Examinando las propiedades de las galaxias con diferentes
corrimientos al rojo, o con diferentes edades, los científicos serán capaces de descifrar la historia de la tasa de formación
estelar en función del medio ambiente, tratando así de explicar por qué la tasa global de formación estelar era mucho más
alta hace 7 mil millones de años que ahora. Estos datos permitirán también estudiar la distribución espacial de galaxias y la
fracción de ellas que aparecen dentro de cúmulos. Los datos de Spitzer, combinados con datos en rayos X, permitirán
también estudiar la contribución de las galaxias "starburst" y los núcleos galácticos activos a la luminosidad global infrarroja.
Fondo Cósmico Infrarrojo
El fondo cósmico infrarrojo es un brillo muy difuso y débil que se supone fue producido
por la yuxtaposición de un número muy grande de galaxias que son demasiado débiles
para ser detectadas individualmente. Estudiando la intensidad del fondo cósmico
infrarrojo a diferentes longitudes de onda, los astrónomos pueden interpretar la historia
de la formación estelar, de la formación de galaxias y la presencia o ausencia de polvo
en la primera generación de galaxias. Spitzer no sólo confirmará la reciente detección
de esta radiación de fondo, sino que probablemente caracterizará las fuentes que la
producen.
Mapas de todo el cielo del fondo infrarrojo
NASA/COBE/M. Hauser
Fuentes Infrarrojas Sin Identificación Optica
Es bien sabido que algunos objetos celestes emiten más (si no es que la mayoría) de su radiación
a ciertas longitudes de onda. Es seguro que Spitzer descubrirá fuentes infrarrojas inusuales que
no tienen identificación óptica. Las mediciones espectroscópicas de Spitzer permitirán a los
astrónomos obtener el corrimiento al rojo, y por lo tanto la distancia, de estos misteriosos objetos.
Los datos de Spitzer serán combinados con observaciones a otras longitudes de onda, como los
rayos X y las ondas de radio, para ayudar a estudiar estas recién descubiertas fuentes.
Image submilimétrica del
Campo Profundo Hubble Norte
JAC/JCMT/D.H. Hughes
Descubrimientos Fortuitos
La combinación de una gran sensibilidad, una alta eficiencia observacional, el gran formato de los detectores infrarrojos y
una larga vida criogénica, representan un paso gigante con respecto a las posiblidades actuales. Esta potente combinación
producirá un rico legado de resultados científicos que serán estudiado por décadas. Como la historia ha mostrado en
repetidas ocasiones, los astrónomos pueden esperar lo inesperado: descubrimientos fortuitos de fenómenos no anticipados.
Definiciones
Agujero Negro - Es un objeto cuya gravedad es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar de él. Los agujeros negros
representan el ultimo estado de evolución de las estrellas masivas (de 10 a 15 veces la masa del sol). Si una estrella masiva
se convierte en supernova, lo que queda de la estrella, después de la violenta explosión, es una estrella muerta, que se ha
quedado sin combustible. Sin que haya fuerzas que contrarrestren a la de la gravedad, esta estrella muerta se colapsará
sobre si misma, hasta conventirse en un punto de volumen zero e infinita densidad, creando lo que se conoce como una
"singularidad". A medida que la densidad se incrementa, la trayectoria de los rayos de luz emitidos por la estrella se curvan
hasta que eventualmente circundan a la estrella. Cualquier fotón emitido se encuentra atrapado en una órbita debido al
intenso campo gravitatorio. Debido a que la luz no puede escapar una vez que la estrella alcanza infinita densidad, a este
objeto se le denomina agujero negro.
Del Diccionario "Imagina el Universo" de la NASA/GSFC (Inglés)
Corrimiento Hacia el Rojo - Se trata de un corrimiento de las lineas espectrales hacia longitudes de onda más grandes (o
energías menores), y es el resultado del alejamiento del objeto con respecto al observador. El corrimiento hacia el rojo
cosmológico es el resultado de la expansión del Universo y de la velocidad finita de la luz.
Discos de polvo de segunda generación - Se trata de un disco de polvo aplanado y en rotación que rodea a las estrellas
durante el periodo de formación de planetas. En una fase previa, en estos discos protoplanetarios se encuentran mezclados
el polvo y el gas.
Emisión No-Térmica - En la emisión térmica (de cuerpo negro) hay una clara relación entre la distribución de la energía en
longitud de onda y la temperatura del objeto. Por el contrario, la radiación no térmica no obedece esta relación tan simple. La
radiación sincrotrón en ondas de radio, emitida por electrones moviendose a velocidades relativistas haciendo una espiral
alrededor de campos magnéticos, es un ejemplo de radiación no térmica.
Enana Marrón - Es un objeto de baja luminosidad con una masa que se encuentra entre la de una estrella y la de un
planeta. Con una masa de entre 1 y 8% la del Sol, una enana marrón es demasiado pequeña para que en ella se produzca
fusión termonuclear, que es lo que define a una estrella. Tan sólo un concepto teórico hasta 1995, cientos de estos objetos
han sido descubiertos en los últimos años.
Galaxia Infrarroja Ultraluminosa (ULIRG) - Se trata de galaxias infrarrojas ultraluminosas que emiten la mayor parte de su
luz en el infrarrojo y que tienen una luminosidad de más de mil millones de soles. La alta luminosidad de los ULIRGs se cree
se debe a múltiples eventos de formación estelar muy extendidos por toda la galaxia (quizá provocadas por una colisión
entre galaxias), o bien a un núcleo galactico activo situado en el centro de la galaxia. Estos objetos fueron descubiertos por
IRAS en 1983.
Galaxia de Radio - Es una galaxia que es es extremadamente luminosa en ondas de radio. Es usualmente una galaxia
elíptica gigante fuente de una intensa radiación sincrotrón.
Galaxia Seyfert - Es un tipo de galaxia espiral cuyo núcleo es muy luminoso y su espectro muestra lineas de emisión
anchas.
Lente Gravitacional - Puede ser una galaxia masiva o un cúmulo de galaxias que se encuentra entre nosotros y un objeto
astronómico más distante. Su presencia hace que la luz del objeto se desvíe bajo el campo gravitatorio de la lente. Las
lentes gravitacionales pueden enfocar, distorsionar y dividir los haces de luz de la misma manera que una lente ordinaria.
Medio Interestelar (ISM) - Gas y polvo que se encuentra entre las estrellas de una galaxia.
Metalicidad - Es una medida de la cantidad de elementos pesados (metales) que contienen las estrellas y el medio
interestelar. En el contexto astronómico, un metal es cualquier átomo más pesado que el helio. Los metales son el resultado
de la fusión termonuclear del hidrógeno y el helio en las estrellas, y durante los últimos estados de la evolución estelar estos
metales son expulsados al medio interestelar. El medio interestelar está por tanto contínuamente enriquecido de estos
elementos pesados gracias a las novas y a las supernovas que tienen lugar en las sucesivas generaciones de estrellas.
Nebulosa Planetaria - Una burbuja de gas que rodea a una estrella caliente moribunda. La estrella está tan caliente que
hace que la nebulosa planetaria brille, lo que permite a los astrónomos verla. La estrella, que antes era el núcleo de una
gigante roja, expulsó su atmósfera más externa creando la nebulosa planetaria, que por cierto nada tiene que ver con
planetas, pero a través de un telescopio pequeño su presencia parece recordar el disco de un planeta, y de aquí su nombre
equívoco.
Nova - Una estrella que incrementa su luminosidad repentivamente y de un modo sin precedentes, dando la impresión de
que una nueva estrella ha aparecido donde antes no había nada. De ahí el nombre de "nova" o de nuevo.
Núcleos Galácticos Activos (AGN) - Los núcleos galácticos activos (AGN) son el centro de algunas galaxias, donde se
piensa existen agujeros negros, responsables de su gran luminosidad. Estos núcleos producen enormes cantidades de
energía, excediendo a la luz emitida por todas las estrellas de la galaxia. Un quasar es un tipo particular de AGN.
Quasar - También conocido como objeto cuasi-estelar (QSO). Se trata de un objeto en apariencia estelar que presenta un
gran corrimiento al rojo y que es una fuente muy fuerte de ondas de radio. Muy probablemente se trata de un objeto
extragaláctico (externo a nuestra Galaxia) áltamente luminoso.
Del Diccionario "Imagina el Universo" de la NASA/GSFC (Inglés)
Región HII - Nebulosa gaseosa que contiene material a una temperatura de unos 10,000 grados Kelvin. A esta temperatura
el hidrógeno se ioniza y sus electrones se mueven libremente.
Supernova - Una explosión estelar gigantesca donde la luminosidad de la estrella se incrementa mil millones de veces. La
mayoría de la estrella se dispersa por el medido interestelar, dejando detrás, al menos en algunas ocasiones, un núcleo
extremandamente denso que puede tratarse de una estrella de neutrones.
Super-Planeta - Es un planeta con una masa similar a la de Júpiter o mayor. Júpiter es unas 318 veces más masivo que la
Tierra.
Unidad Astronómica (AU) - Es la distancia media entre el Sol y la Tierra. 1 AU es 149,597,870.691 km (unos 93 millones
de millas). La Unidad Astronómica es una constante que se usa para medir distancias dentro de nuestro sistema solar.
Universo Joven - El Universo Joven se refiere a aproximadamente los primeros mil millones de años despues de la Gran
Explosión (Big Bang), que se estima tuvo lugar hace 14 mil millones de años. Debido a la expansión del Universo, esto
corresponde a los confines más distantes del Universo.