La serie de satélites Grandes Observatorios de la NASA son cuatro grandes y potentes telescopios astronómicos espaciales lanzados entre 1990 y 2003. Fueron construidos con diferente tecnología para examinar regiones específicas de longitud de onda/energía del espectro electromagnético : rayos gamma , rayos X , visible y luz ultravioleta y luz infrarroja .
El Telescopio Espacial Hubble (HST) observa principalmente la luz visible y el ultravioleta cercano . Fue lanzado en 1990 a bordo del transbordador espacial Discovery durante la misión STS-31 . En 1997, la misión de mantenimiento STS-82 añadió capacidad en el rango del infrarrojo cercano , y en 2009 la misión STS-125 reparó el telescopio y amplió su vida útil prevista.
El Observatorio Compton de Rayos Gamma (CGRO) observó principalmente rayos gamma , aunque también se extendió a los rayos X duros . Fue lanzado en 1991 a bordo del Atlantis durante la misión STS-37 y fue sacado de órbita en 2000 después de que fallara un giroscopio.
El Observatorio de rayos X Chandra (CXO) observa principalmente rayos X suaves . Fue lanzado en 1999 a bordo del Columbia durante la misión STS-93 a una órbita terrestre alta elíptica, e inicialmente recibió el nombre de Instalación Astronómica Avanzada de Rayos X (AXAF).
El Telescopio Espacial Spitzer (SST) observó el espectro infrarrojo . Fue lanzado en 2003 a bordo de un cohete Delta II a una órbita solar cercana a la Tierra. El agotamiento de su refrigerante de helio líquido en 2009 redujo su funcionalidad, dejándolo con sólo dos módulos de imágenes de longitud de onda corta. Fue retirado del servicio y puesto en modo seguro el 30 de enero de 2020.
El Telescopio Espacial Hubble y el Observatorio de Rayos X Chandra seguirán funcionando a partir de noviembre de 2023.
Originalmente se pretendía que el Hubble fuera recuperado y devuelto a la Tierra por el transbordador espacial , pero el plan de recuperación fue abandonado más tarde. El 31 de octubre de 2006, el administrador de la NASA , Michael D. Griffin, dio el visto bueno a una misión final de renovación. La misión STS-125 de 11 días del transbordador espacial Atlantis , lanzada el 11 de mayo de 2009, [1] instaló baterías nuevas, reemplazó todos los giroscopios, reemplazó una computadora de comando, arregló varios instrumentos e instaló la cámara de campo amplio 3 y Cosmic Origins. Espectrógrafo . [2]
Uno de los tres giroscopios del Observatorio Compton de Rayos Gamma falló en diciembre de 1999. Aunque el observatorio era completamente funcional con dos giroscopios, la NASA consideró que la falla de un segundo giroscopio resultaría en la incapacidad de controlar el satélite durante su eventual regreso a la Tierra debido a desintegración orbital. En cambio, la NASA optó por sacar preventivamente de órbita a Compton el 4 de junio de 2000. [3] Las partes que sobrevivieron a la reentrada salpicaron el Océano Pacífico .
Spitzer fue el único de los Grandes Observatorios que no fue lanzado por el Transbordador Espacial. Originalmente estaba destinado a ser lanzado de esta manera, pero después del desastre del Challenger , se prohibió el uso del Shuttle de la etapa superior Centaur LH2 / LOX que habría sido necesaria para empujarlo a una órbita heliocéntrica . Los vehículos de lanzamiento Titan y Atlas fueron cancelados por motivos de costes. Después de rediseñarlo y aligerarlo, fue lanzado mediante un vehículo de lanzamiento Delta II . Antes del lanzamiento , se llamaba Instalación del Telescopio Espacial Infrarrojo (SIRTF).
La historia del Telescopio Espacial Hubble se remonta a 1946, cuando el astrónomo Lyman Spitzer escribió el artículo Ventajas astronómicas de un observatorio extraterrestre . [4] Spitzer dedicó gran parte de su carrera a impulsar un telescopio espacial.
Las misiones del Observatorio Astronómico Orbital de 1966-1972 demostraron el importante papel que podían desempeñar las observaciones espaciales en la astronomía. En 1968, la NASA desarrolló planes firmes para un telescopio reflector espacial con un espejo de 3 metros, conocido provisionalmente como Gran Telescopio Orbital o Gran Telescopio Espacial (LST), con un lanzamiento previsto para 1979. [5] El Congreso finalmente aprobó la financiación de 36 millones de dólares para 1978, y el diseño del LST comenzó en serio, con el objetivo de lanzarlo en 1983. A principios de la década de 1980, el telescopio recibió el nombre de Edwin Hubble .
Varias de las primeras misiones espaciales habían examinado los rayos gamma sobre la atmósfera. Durante su Programa de Observatorio de Astronomía de Altas Energías en 1977, la NASA anunció planes para construir un "gran observatorio" para la astronomía de rayos gamma . El Observatorio de Rayos Gamma (GRO), rebautizado como Observatorio de Rayos Gamma Compton (CGRO), fue diseñado para aprovechar los principales avances en la tecnología de detectores durante la década de 1980. Tras 14 años de esfuerzos, el CGRO se puso en marcha el 5 de abril de 1991. [6]
En 1976, Riccardo Giacconi y Harvey Tananbaum propusieron a la NASA el Observatorio de rayos X Chandra (llamado AXAF en ese momento) . El trabajo preliminar comenzó el año siguiente en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales (MSFC) y el Observatorio Astrofísico Smithsonian (SAO). Mientras tanto, en 1978, la NASA puso en órbita el primer telescopio de rayos X de imágenes, el Observatorio Einstein (HEAO-2). El trabajo en el proyecto Chandra continuó durante las décadas de 1980 y 1990. En 1992, para reducir costes, se rediseñó la nave espacial. Se eliminaron cuatro de los doce espejos previstos, así como dos de los seis instrumentos científicos. La órbita planificada de Chandra se cambió a una elíptica, alcanzando un tercio del camino hasta la Luna en su punto más lejano. Esto eliminó la posibilidad de mejora o reparación por parte del transbordador espacial , pero colocó el observatorio por encima de los cinturones de radiación de la Tierra durante la mayor parte de su órbita.
A principios de la década de 1970, los astrónomos comenzaron a considerar la posibilidad de colocar un telescopio infrarrojo por encima de los efectos oscurecedores de la atmósfera de la Tierra . La mayoría de los primeros conceptos preveían vuelos repetidos a bordo del transbordador espacial de la NASA. Este enfoque se desarrolló en una época en la que se presumía que el programa Shuttle era capaz de soportar vuelos semanales de hasta 30 días de duración. En 1979, un informe del Consejo Nacional de Investigación de la Academia Nacional de Ciencias , Una estrategia para la astronomía y la astrofísica espaciales para la década de 1980 , identificó una instalación de telescopio infrarrojo de transbordador (SIRTF) como "una de las dos principales instalaciones astrofísicas [que se desarrollarán] para Spacelab ", una plataforma transportada por un transbordador.
El lanzamiento del satélite astronómico infrarrojo , un satélite de clase Explorer diseñado para realizar el primer estudio infrarrojo del cielo, generó la anticipación de un instrumento que utilizara una nueva tecnología de detección de infrarrojos. En septiembre de 1983, la NASA estaba considerando la "posibilidad de una misión SIRTF [de vuelo libre] de larga duración". El vuelo del Spacelab-2 de 1985 a bordo del STS-51-F confirmó que el entorno del Shuttle no era adecuado para un telescopio infrarrojo a bordo, y que un diseño de vuelo libre era mejor. La primera palabra del nombre se cambió de Shuttle para que se llamara Instalación del Telescopio Espacial Infrarrojo. [7] [8]
El Telescopio Espacial Spitzer se lanzó en 2003 y se desactivó cuando finalizaron las operaciones el 30 de enero de 2020.
El concepto de un programa de Gran Observatorio se propuso por primera vez en el informe de la NRC de 1979 "Una estrategia para la astronomía y la astrofísica espaciales para la década de 1980". Este informe sentó las bases esenciales para los Grandes Observatorios y fue presidido por Peter Meyer (hasta junio de 1977) y luego por Harlan J. Smith (hasta su publicación). A mediados de la década de 1980, todos los directores de la división de astrofísica de la sede de la NASA , incluidos Frank Martin y Charlie Pellerin, lo avanzaron aún más . El programa "Grandes Observatorios" de la NASA utilizó cuatro satélites separados, cada uno diseñado para cubrir una parte diferente del espectro de una manera que los sistemas terrestres no podían. Esta perspectiva permitió que los observatorios de rayos X e infrarrojos propuestos fueran vistos apropiadamente como una continuación del programa astronómico iniciado con Hubble y CGRO en lugar de competidores o reemplazos. [9] [10] [Otra cita para este párrafo debe ser dos documentos explicativos publicados por la NASA y creados para la División de Astrofísica de la NASA, entonces dirigida por Charie Pellerin, y el Grupo de Trabajo de Gestión de Astrofísica de la NASA en la década de 1980. Ambos se titulan Los Grandes Observatorios de Astrofísica Espacial ; el primero lleva el documento de la NASA número 21M585 y el segundo es NP-128. Ahora difíciles de encontrar, expusieron la justificación del conjunto de observatorios y preguntas que podrían abordarse en todo el espectro. Tuvieron un papel importante en la campaña para lograr y mantener la aprobación de los cuatro telescopios. Los coautores fueron el astrofísico Martin Harwit y la escritora Valerie Neal, trabajando en colaboración con un grupo más grande de científicos en el mencionado Grupo de Trabajo.]
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Cada observatorio fue diseñado para impulsar el estado de la tecnología en la región de longitud de onda prevista. Dado que la atmósfera terrestre impide que los rayos X , los rayos gamma y la radiación del infrarrojo lejano lleguen a la Tierra, las misiones espaciales fueron esenciales para los observatorios Compton, Chandra y Spitzer.
El Hubble también se beneficia de estar por encima de la atmósfera, ya que la atmósfera desdibuja las observaciones terrestres de objetos muy débiles, disminuyendo la resolución espacial (sin embargo, los objetos más brillantes pueden ser fotografiados con una resolución mucho mayor que el Hubble desde el suelo utilizando interferómetros astronómicos u óptica adaptativa ). Los telescopios terrestres más grandes sólo recientemente han igualado al Hubble en resolución para longitudes de onda del infrarrojo cercano de objetos débiles. Estar por encima de la atmósfera elimina el problema del resplandor del aire , lo que permite al Hubble realizar observaciones de objetos ultradébiles. Los telescopios terrestres no pueden compensar el brillo del aire en objetos ultra débiles, por lo que los objetos muy débiles requieren tiempos de exposición difíciles de manejar e ineficientes. Hubble también puede observar en longitudes de onda ultravioleta que no penetran la atmósfera.
Compton observó en los rayos gamma, que no penetran la atmósfera inferior. Era mucho más grande que cualquier instrumento de rayos gamma volado en las misiones HEAO anteriores , abriendo áreas de observación completamente nuevas. Tenía cuatro instrumentos que cubrían el rango de energía de 20 keV a 30 GeV , que se complementaban entre sí en sensibilidades, resoluciones y campos de visión. Los rayos gamma son emitidos por diversas fuentes de alta energía y alta temperatura, como agujeros negros , púlsares y supernovas . [11]
Chandra tampoco tuvo predecesores terrestres. Siguió a los tres satélites del Programa HEAO de la NASA , en particular el muy exitoso Observatorio Einstein , que fue el primero en demostrar el poder de la incidencia rasante, enfocando la óptica de rayos X , dando una resolución espacial un orden de magnitud mejor que los instrumentos colimados (comparables a los ópticos). telescopios), con una enorme mejora en la sensibilidad. El gran tamaño, la alta órbita y los sensibles CCD de Chandra permitieron observaciones de fuentes de rayos X muy débiles.
Spitzer también observa en longitudes de onda en gran medida inaccesibles para los telescopios terrestres. Fue precedido en el espacio por la misión más pequeña IRAS de la NASA y el gran telescopio ISO de la Agencia Espacial Europea (ESA) . Los instrumentos de Spitzer aprovecharon los rápidos avances en la tecnología de detectores de infrarrojos desde IRAS, combinados con su gran apertura, campos de visión favorables y larga vida útil. En consecuencia, los beneficios científicos han sido excepcionales. Las observaciones infrarrojas son necesarias para objetos astronómicos muy distantes donde toda la luz visible se desplaza al rojo a longitudes de onda infrarrojas, para objetos fríos que emiten poca luz visible y para regiones ópticamente oscurecidas por el polvo.
Los cuatro telescopios han tenido un impacto sustancial en la astronomía. La apertura de nuevas bandas de ondas a observaciones de alta resolución y alta sensibilidad por parte de Compton, Chandra y Spitzer ha revolucionado nuestra comprensión de una amplia gama de objetos astronómicos y ha llevado a la detección de miles de objetos nuevos e interesantes. El Hubble ha tenido un impacto público y mediático mucho mayor que los otros telescopios, aunque en longitudes de onda ópticas el Hubble ha proporcionado una mejora más modesta en sensibilidad y resolución con respecto a los instrumentos existentes. La capacidad del Hubble para obtener imágenes uniformes de alta calidad de cualquier objeto astronómico en cualquier momento ha permitido estudios y comparaciones precisos de un gran número de objetos astronómicos. Las observaciones del Campo Profundo del Hubble han sido muy importantes para los estudios de galaxias distantes, ya que proporcionan imágenes ultravioleta en reposo de estos objetos con un número similar de píxeles a lo largo de las galaxias que las imágenes ultravioleta anteriores de galaxias más cercanas, lo que permite una comparación directa. El Telescopio Espacial James Webb supondrá un paso adelante aún mayor, proporcionando imágenes en luz visible en estado de reposo de galaxias aún más distantes que pueden compararse directamente con imágenes de galaxias cercanas en longitudes de onda de luz visible.
Aparte de las capacidades inherentes a la misión (en particular las sensibilidades, que no pueden ser replicadas por los observatorios terrestres), el programa Grandes Observatorios permite que las misiones interactúen para lograr un mayor rendimiento científico. Diferentes objetos brillan en diferentes longitudes de onda, pero entrenar dos o más observatorios en un objeto permite una comprensión más profunda.
Los estudios de alta energía (en rayos X y rayos gamma) hasta ahora sólo han tenido resoluciones de imagen moderadas. El estudio de objetos de rayos X y gamma con el Hubble, así como con Chandra y Compton, proporciona datos precisos sobre su tamaño y posición. En particular, la resolución del Hubble a menudo puede discernir si el objetivo es un objeto independiente o parte de una galaxia madre, y si un objeto brillante se encuentra en el núcleo, los brazos o el halo de una galaxia espiral . De manera similar, la apertura más pequeña del Spitzer significa que el Hubble puede agregar información espacial más fina a una imagen de Spitzer.
Los estudios ultravioleta con el Hubble también revelan los estados temporales de los objetos de alta energía. Los rayos X y los rayos gamma son más difíciles de detectar con las tecnologías actuales que los visibles y los ultravioletas. Por lo tanto, Chandra y Compton necesitaron largos tiempos de integración para reunir suficientes fotones. Sin embargo, los objetos que brillan con rayos X y rayos gamma pueden ser pequeños y variar en escalas de tiempo de minutos o segundos. Estos objetos requieren un seguimiento con el Hubble o el Rossi X-ray Timing Explorer , que puede medir detalles en segundos angulares o fracciones de segundo, debido a diferentes diseños. El último año completo de funcionamiento de Rossi fue 2011.
La capacidad del Spitzer para ver a través del polvo y los gases espesos es buena para las observaciones de los núcleos galácticos. Los objetos masivos en el corazón de las galaxias brillan en rayos X, rayos gamma y ondas de radio, pero los estudios infrarrojos en estas regiones nubladas pueden revelar el número y las posiciones de los objetos.
Mientras tanto, el Hubble no tiene ni el campo de visión ni el tiempo disponible para estudiar todos los objetos interesantes. Los objetivos que merecen la pena se encuentran a menudo en telescopios terrestres, que son más baratos, o en observatorios espaciales más pequeños, que a veces están diseñados expresamente para cubrir grandes áreas del cielo. Además, los otros tres Grandes Observatorios han encontrado nuevos objetos interesantes, que merecen el desvío del Hubble.
Un ejemplo de sinergia entre observatorios son los estudios del Sistema Solar y los asteroides . Los cuerpos pequeños, como lunas pequeñas y asteroides, son demasiado pequeños y/o distantes para ser detectados directamente incluso por el Hubble; su imagen aparece como un patrón de difracción determinado por el brillo, no por el tamaño. Sin embargo, el Hubble puede deducir el tamaño mínimo mediante el conocimiento del albedo del cuerpo . Spitzer puede determinar el tamaño máximo mediante el conocimiento de la temperatura del cuerpo, que se conoce en gran medida por su órbita. Por lo tanto, el verdadero tamaño del cuerpo está entre paréntesis. Una espectroscopia adicional realizada por Spitzer puede determinar la composición química de la superficie del objeto, lo que limita sus posibles albedos y, por lo tanto, agudiza la estimación de tamaño bajo.
En el extremo opuesto de la escala de distancias cósmicas , las observaciones realizadas con Hubble, Spitzer y Chandra se han combinado en el Great Observatories Origins Deep Survey para producir una imagen de múltiples longitudes de onda de la formación y evolución de las galaxias en el Universo temprano .
Cuando los grandes observatorios trabajaron juntos para realizar descubrimientos u observaciones especiales:
Reportado en marzo de 2016, Spitzer y Hubble se utilizaron para descubrir la galaxia más distante conocida, GN-z11 . Este objeto fue visto tal como era hace 13.400 millones de años. [12] [13] ( Lista de los objetos astronómicos más distantes )
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En 2016, la NASA comenzó a considerar cuatro telescopios espaciales emblemáticos diferentes , [18] que son la Misión de imágenes de exoplanetas habitables (HabEx), el Gran detector infrarrojo óptico UV (LUVOIR), el Telescopio espacial Origins (OST) y el Observatorio de rayos X Lynx . En 2019, los cuatro equipos entregarán sus informes finales a la Academia Nacional de Ciencias , cuyo comité independiente de Encuesta Decadal asesora a la NASA sobre qué misión debe tener máxima prioridad. La selección se llevaría a cabo en 2021 y se lanzaría aproximadamente en 2035. [18]
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