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 , luz visible y 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 , pero su espejo principal había sido pulido incorrectamente, lo que resultó en una aberración esférica que comprometió las capacidades del telescopio. La óptica fue corregida a su calidad prevista por la misión de mantenimiento STS-61 en 1993. En 1997, la misión de mantenimiento STS-82 agregó capacidad en el rango del infrarrojo cercano , y en 2009 la misión de mantenimiento STS-125 reacondicionó el telescopio y extendió su vida útil proyectada. Sigue en funcionamiento activo a partir de octubre de 2024 [actualizar].
El Observatorio de Rayos Gamma Compton (CGRO) observó principalmente rayos gamma , aunque también amplió su alcance a rayos X duros . Fue lanzado en 1991 a bordo del Atlantis durante la misión STS-37 . Fue desorbitado 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 elíptica alta terrestre, y en un principio se denominó Instalación Astronómica Avanzada de Rayos X (AXAF). A partir de octubre de 2024, sigue en funcionamiento [actualizar].
El telescopio espacial Spitzer (SST) observó el espectro infrarrojo . Fue lanzado en 2003 a bordo de un cohete Delta II en una órbita solar que sigue a la Tierra. El agotamiento de su refrigerante de helio líquido en 2009 redujo su funcionalidad, dejándolo con solo 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 concepto de un programa de Grandes Observatorios fue propuesto por primera vez en el informe de la NRC de 1979 "Una estrategia para la astronomía espacial y la astrofísica para la década de 1980". [1] 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 en la sede de la NASA , incluidos Frank Martin y Charlie Pellerin, lo impulsaron aún más . El programa de "Grandes Observatorios" de la NASA utilizó cuatro satélites separados, cada uno diseñado para cubrir una parte diferente del espectro de formas que los sistemas terrestres no podían. Esta perspectiva permitió que los observatorios de rayos X e infrarrojos propuestos se vieran apropiadamente como una continuación del programa astronómico iniciado con el Hubble y el CGRO en lugar de competidores o reemplazos. [2] [3] Dos documentos explicativos publicados por la NASA y creados para la División de Astrofísica de la NASA y el Grupo de Trabajo de Gestión de Astrofísica de la NASA expusieron la justificación del conjunto de observatorios y las preguntas que podrían abordarse en todo el espectro. [4] [5] Tuvieron un papel importante en la campaña para ganar y mantener la aprobación de los cuatro telescopios. [ cita requerida ]
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La historia del telescopio espacial Hubble se remonta a 1946, cuando el astrónomo Lyman Spitzer escribió el artículo Ventajas astronómicas de un observatorio extraterrestre . [6] 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 el Gran Telescopio Orbital o Gran Telescopio Espacial (LST), con un lanzamiento programado para 1979. [7] El Congreso finalmente aprobó una financiación de 36 millones de dólares para 1978, y el diseño del LST comenzó en serio, apuntando a una fecha de lanzamiento para 1983. A principios de la década de 1980, el telescopio recibió el nombre de Edwin Hubble .
En un principio, se pretendía recuperar el Hubble y devolverlo a la Tierra mediante 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 para una última misión de reacondicionamiento. La misión STS-125 de 11 días del transbordador espacial Atlantis , lanzada el 11 de mayo de 2009, [8] instaló baterías nuevas, reemplazó todos los giroscopios, reemplazó una computadora de comando, arregló varios instrumentos e instaló la cámara de campo amplio 3 y el espectrógrafo de orígenes cósmicos . [9]
Los rayos gamma habían sido estudiados por encima de la atmósfera en varias misiones espaciales tempranas. Durante su Programa de Observatorio Astronómico 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 tecnología de detectores durante la década de 1980. Después de 14 años de esfuerzo, el CGRO fue lanzado el 5 de abril de 1991. [10] Uno de los tres giroscopios del Observatorio de Rayos Gamma Compton falló en diciembre de 1999. Aunque el observatorio estaba 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 la desintegración orbital. En lugar de ello, la NASA decidió desorbitar preventivamente a Compton el 4 de junio de 2000. [11] Las partes que sobrevivieron al reingreso cayeron al Océano Pacífico .
En 1976, Riccardo Giacconi y Harvey Tananbaum propusieron a la NASA la construcción del observatorio de rayos X Chandra (llamado AXAF en aquel momento). El trabajo preliminar comenzó al año siguiente en el Centro Marshall para Vuelos Espaciales (MSFC) y el Observatorio Astrofísico Smithsoniano (SAO). Mientras tanto, en 1978, la NASA puso en órbita el primer telescopio de rayos X, el Observatorio Einstein (HEAO-2). El trabajo en el proyecto Chandra continuó durante las décadas de 1980 y 1990. En 1992, para reducir costos, se rediseñó la nave espacial. Se eliminaron cuatro de los doce espejos planificados, así como dos de los seis instrumentos científicos. La órbita planificada de Chandra se cambió a una elíptica, alcanzando un tercio del camino hacia la Luna en su punto más alejado. Esto eliminó la posibilidad de mejoras o reparaciones por parte del transbordador espacial , pero colocó al 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 suponía que el programa del transbordador 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 espacial y la astrofísica para la década de 1980 , identificó una Instalación del Telescopio Infrarrojo del Transbordador (SIRTF) como "una de las dos principales instalaciones astrofísicas [que se desarrollarían] para Spacelab ", una plataforma a bordo del transbordador.
El lanzamiento del Satélite Astronómico Infrarrojo , un satélite de clase Explorer diseñado para realizar el primer estudio infrarrojo del cielo, hizo que se anticipara la creación de un instrumento que utilizara una nueva tecnología de detectores infrarrojos. En septiembre de 1983, la NASA estaba considerando la "posibilidad de una misión SIRTF [de vuelo libre] de larga duración". El vuelo de 1985 del Spacelab-2 a bordo del STS-51-F confirmó que el entorno del transbordador no era adecuado para un telescopio infrarrojo a bordo y que era mejor un diseño de vuelo libre. La primera palabra del nombre se cambió de Shuttle para que se llamara Space Infrared Telescope Facility. [12] [13]
Spitzer fue el único de los Grandes Observatorios que no fue lanzado por el transbordador espacial. En un principio estaba previsto que fuera lanzado así, pero tras el desastre del Challenger , la etapa superior Centaur LH2 / LOX , que habría sido necesaria para impulsarlo a una órbita heliocéntrica, fue prohibida en el transbordador. Los vehículos de lanzamiento Titan y Atlas fueron cancelados por razones de costes. Tras su rediseño y aligeramiento, fue lanzado en 2003 por un vehículo de lanzamiento Delta II . Antes del lanzamiento se llamaba Space Infrared Telescope Facility (SIRTF). El telescopio fue desactivado cuando finalizaron las operaciones el 30 de enero de 2020.
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Dado que la atmósfera de la Tierra impide que los rayos X , los rayos gamma [14] y la radiación infrarroja lejana lleguen al suelo, 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 difumina las observaciones terrestres de objetos muy débiles, lo que disminuye la resolución espacial (sin embargo, los objetos más brillantes se pueden fotografiar con una resolución mucho mayor que con el Hubble desde el suelo utilizando interferómetros astronómicos u óptica adaptativa ). Los telescopios terrestres más grandes solo recientemente han igualado al Hubble en resolución para longitudes de onda de infrarrojo cercano de objetos débiles. Estar por encima de la atmósfera elimina el problema del resplandor atmosférico , lo que permite al Hubble realizar observaciones de objetos ultra débiles. Los telescopios terrestres no pueden compensar el resplandor atmosférico en objetos ultra débiles, por lo que los objetos muy débiles requieren tiempos de exposición difíciles de manejar e ineficientes. El Hubble también puede observar en longitudes de onda ultravioleta que no penetran la atmósfera.
Cada observatorio fue diseñado para llevar el estado de la tecnología en su región del espectro electromagnético. Compton era mucho más grande que cualquiera de los instrumentos de rayos gamma utilizados en las misiones HEAO anteriores , lo que abrió áreas de observación completamente nuevas. Tenía cuatro instrumentos que cubrían el rango de energía de 20 keV a 30 GeV , que complementaban la sensibilidad, la resolución y los campos de visión de cada uno. Los rayos gamma son emitidos por varias fuentes de alta energía y alta temperatura, como los agujeros negros , los púlsares y las supernovas .
Chandra tampoco tuvo predecesores terrestres. Fue el sucesor de los tres satélites del Programa HEAO de la NASA , en particular el exitoso Observatorio Einstein , que fue el primero en demostrar el poder de la óptica de rayos X de incidencia rasante y enfoque , lo que le dio una resolución espacial un orden de magnitud mejor que los instrumentos colimados (comparables a los telescopios ópticos), con una enorme mejora en la sensibilidad. El gran tamaño de Chandra, su órbita elevada y los CCD sensibles permitieron observaciones de fuentes de rayos X muy débiles.
Spitzer también observa en longitudes de onda en gran parte 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 infrarrojos desde IRAS, combinados con su gran apertura, campos de visión favorables y larga vida. Los resultados científicos fueron, en consecuencia, excepcionales. [ cita requerida ] Las observaciones infrarrojas son necesarias para objetos astronómicos muy distantes donde toda la luz visible está desplazada al rojo a longitudes de onda infrarrojas, para objetos fríos que emiten poca luz visible y para regiones oscurecidas ópticamente por el polvo.
Además de las capacidades inherentes de la misión (en particular, las sensibilidades, que no pueden ser replicadas por los observatorios terrestres), el programa de Grandes Observatorios permite que las misiones interactúen para obtener un mayor rendimiento científico. Diferentes objetos brillan en diferentes longitudes de onda, pero el hecho de enfocar dos o más observatorios hacia un objeto permite una comprensión más profunda.
Los estudios de alta energía (en rayos X y rayos gamma) han tenido resoluciones de imagen moderadas hasta ahora. Estudiar objetos de rayos X y rayos gamma con Hubble, así como con Chandra y Compton, proporciona datos precisos de tamaño y posición. En particular, la resolución de Hubble a menudo puede discernir si el objetivo es un objeto independiente o parte de una galaxia madre, y si un objeto brillante está en el núcleo, los brazos o el halo de una galaxia espiral . De manera similar, la apertura más pequeña de Spitzer significa que Hubble puede agregar información espacial más fina a una imagen de Spitzer. Informado en marzo de 2016, Spitzer y Hubble se utilizaron para descubrir la galaxia más distante conocida, GN-z11 . Este objeto fue visto como apareció hace 13.4 mil millones de años. [15] [16] ( Lista de los objetos astronómicos más distantes )
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 rayos visibles y ultravioleta. Por lo tanto, Chandra y Compton necesitaron largos tiempos de integración para reunir suficientes fotones. Sin embargo, los objetos que brillan en rayos X y rayos gamma pueden ser pequeños y pueden variar en escalas de tiempo de minutos o segundos. Dichos objetos requieren entonces 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 de 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 la cantidad y las posiciones de los objetos.
Mientras tanto, el Hubble no tiene ni el campo de visión ni el tiempo disponibles para estudiar todos los objetos interesantes. A menudo se encuentran objetivos que valen la pena con telescopios terrestres, que son más baratos, o con observatorios espaciales más pequeños, que a veces están diseñados expresamente para cubrir grandes áreas del cielo. Además, los otros tres Grandes Observatorios han descubierto nuevos objetos interesantes, que merecen la pena desviar la mirada del Hubble.
Un ejemplo de sinergia entre observatorios es el estudio del Sistema Solar y de asteroides . Los cuerpos pequeños, como las lunas y los asteroides, son demasiado pequeños 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 tamaño mínimo puede ser deducido por el Hubble a partir del conocimiento del albedo del cuerpo . El tamaño máximo puede ser determinado por el Spitzer a partir del conocimiento de la temperatura del cuerpo, que se conoce en gran medida a partir de su órbita. Por lo tanto, el tamaño real del cuerpo está entre paréntesis. La espectroscopia adicional del 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 galaxias en el Universo temprano .
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 y de alta calidad de cualquier objeto astronómico en cualquier momento ha permitido realizar estudios y comparaciones precisas 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.
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En 2016, la NASA comenzó a considerar cuatro telescopios espaciales Flagship diferentes , [21] que son la Habitable Exoplanet Imaging Mission (HabEx), el Large UV Optical Infrared Surveyor (LUVOIR), el Origins Space Telescope (OST) y el Lynx X-ray Observatory . 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. [21]
La NASA anunció el Observatorio de Mundos Habitables (HWO) en 2023, un sucesor del Gran Sondeo Óptico Infrarrojo UV (LUVOIR) y la Misión de Imágenes de Exoplanetas Habitables (HabEX). [22] La administración también creó el Gran Programa de Maduración del Observatorio para el desarrollo del Observatorio de Mundos Habitables [23]
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