Los astrónomos tienen un nuevo truco para obtener imágenes más nítidas de los telescopios, y no requiere construir espejos más grandes ni conectar observatorios entre continentes. Un equipo dirigido por investigadores de la UCLA utilizó un dispositivo llamado linterna fotónica, una fibra óptica especialmente diseñada que divide la luz de las estrellas como un prisma divide la luz blanca en un arco iris, pero de manera mucho más inteligente. El resultado: imágenes cinco veces más precisas que los métodos estándar, que revelan un disco torcido de gas hidrógeno que gira alrededor de una estrella cercana que nadie sabía que era asimétrica.
La linterna fotónica hizo su debut en el Telescopio Subaru en Hawaii, donde alimentó un instrumento con el desgarbado nombre FIRST-PL. Piense en la linterna como un ecualizador musical de luz. Toma el frente de onda turbulento y grumoso que llega desde el espacio y lo divide en canales separados según la forma de esas fluctuaciones, preservando detalles que las cámaras normales unirían. Luego divide cada canal por color. Las salidas se reensamblan computacionalmente y, de repente, se obtiene una resolución que desafía lo que un solo telescopio debería poder ver.
“En astronomía, los detalles más nítidos de las imágenes generalmente se obtienen conectando telescopios”, dijo Yoo Jung Kim, candidato a doctorado de UCLA y primer autor del estudio publicado en Astrophysical Journal Letters. “Pero lo hicimos con un solo telescopio, introduciendo su luz en una fibra óptica especialmente diseñada, llamada linterna fotónica”.
El problema del límite de difracción
Existe un límite físico estricto a la nitidez de la imagen de cualquier telescopio, establecido por la naturaleza ondulatoria de la luz misma. Esto se llama límite de difracción. Los telescopios más grandes amplían aún más ese límite, razón por la cual los astrónomos siguen construyendo espejos cada vez más grandes. Conjuntos de telescopios conectados lo llevan aún más lejos al crear efectivamente una apertura gigante. Pero ambos enfoques son costosos y logísticamente complejos.
La linterna fotónica ofrece un camino diferente. Al diseccionar la luz entrante en sus modos espaciales fundamentales, de la misma manera que una transformada de Fourier descompone una señal en ondas sinusoidales, captura información que un detector normal descartaría. El dispositivo en sí fue construido por equipos de la Universidad de Sydney y la Universidad de Florida Central y luego se integró en el sistema Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics.
“Este trabajo demuestra el potencial de las tecnologías fotónicas para permitir nuevos tipos de mediciones en astronomía”, dijo Nemanja Jovanovic, codirector del estudio en Caltech. “Apenas estamos comenzando. Las posibilidades son realmente emocionantes”.
Luchando contra la falta de definición atmosférica
La atmósfera de la Tierra es un problema. La turbulencia hace brillar las estrellas, lo que resulta encantador para los poetas y molesto para los astrónomos. El equipo de Subaru utilizó óptica adaptativa, un sistema de espejos deformables que se flexiona en tiempo real para anular la distorsión atmosférica. Incluso eso no fue suficiente. La linterna fotónica resultó ser tan sensible a las ondas del frente de onda que Kim tuvo que inventar nuevos métodos de procesamiento de datos para filtrar las turbulencias residuales.
El objetivo era una estrella llamada beta Canis Minoris, a unos 162 años luz de distancia, en la constelación de Canis Minor. Está rodeado por un disco de gas hidrógeno que gira lo suficientemente rápido como para que el efecto Doppler cambie su color: el gas que se mueve hacia nosotros brilla más azul, el gas que se aleja se vuelve más rojo. Ese cambio de color cambia ligeramente de dónde parece provenir la luz y, midiendo esos cambios con extrema precisión, el equipo reconstruyó la forma del disco.
“Necesitamos un entorno muy estable para medir y recuperar información espacial utilizando esta fibra. Incluso con óptica adaptativa, la linterna fotónica era tan sensible a las fluctuaciones del frente de onda que tuve que desarrollar una nueva técnica de procesamiento de datos para filtrar las turbulencias atmosféricas restantes”.
Lo que encontraron fue inesperado: el disco está torcido. Un lado es más brillante o más denso que el otro, un detalle invisible para las imágenes convencionales. ¿Por qué? Nadie lo sabe todavía. Los astrofísicos que modelan estos sistemas tendrán que explicarlo ahora.
La colaboración abarcó instituciones de tres continentes, incluida la Universidad de Hawaii, el Observatorio Astronómico Nacional de Japón, Caltech, la Universidad de Arizona, el Observatorio de París y otros. Sebastien Vievard, profesor de la Universidad de Hawaii, destacó la combinación de fotónica de vanguardia e ingeniería de precisión. Es un recordatorio de que a veces el salto adelante no proviene de una herramienta más grande, sino de una forma más inteligente de utilizar la que tienes.
El enfoque de la linterna fotónica pronto podría aplicarse para estudiar exoplanetas, las regiones polvorientas donde se forman los planetas o los chorros que surgen de los agujeros negros. Michael Fitzgerald, profesor de física y astronomía de UCLA, señaló que el equipo ha estado trabajando para superar la frontera del límite de difracción. Acaban de dar un paso significativo.
Las cartas del diario astrofísico: 10.3847/2041-8213/ad8c39
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