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20 de enero de 2022
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La misión Gaia
Ilustración: ©ESA - D. Ducros, 2013

La misión Gaia

Daniel Martín Reina

Un observatorio espacial europeo está escudriñando el cielo para conocer a fondo nuestra galaxia y zanjar dudas cosmológicas.

El 19 de diciembre de 2013 la Agencia Espacial Europea (ESA) lanzaba al espacio el observatorio espacial Gaia, una de las misiones más ambiciosas de los últimos tiempos. Su objetivo es crear el mapa estelar tridimensional de nuestra galaxia más completo jamás elaborado. Esto implica conocer la posición y velocidad de más de 1000 millones de estrellas, alrededor del 1% de todas las que pueblan la Vía Láctea. 

Pero Gaia es mucho más que un simple rastreador de estrellas. También se espera que descubra cientos de miles de nuevos objetos celestes, desde asteroides en nuestra vecindad hasta lejanos cuásares, pasando por planetas extrasolares, enanas marrones y estrellas a punto de estallar como supernovas. Una verdadera máquina de descubrimientos cuyos resultados ya están transformando la visión de nuestro entorno galáctico. 

Un hermoso legado 

El primer catálogo de estrellas del que hay constancia se remonta al siglo II a.C. y fue elaborado por el astrónomo griego Hiparco de Nicea, considerado hoy el padre de la astronomía. Hiparco registró la posición de más de 850 de estos cuerpos celestes y clasificó su brillo de acuerdo a una escala del 1 al 6, donde 1 era una estrella muy brillante y 6 una estrella apenas visible. Los sistemas de clasificación actuales utilizan una escala muy parecida. Aunque el catálogo original de Hiparco se perdió, sabemos que Claudio Tolomeo se basó en él para compilar un catálogo todavía mayor en su famosa obra Almagesto, publicada a mediados del siglo II d. C. El Almagesto fue la referencia absoluta en el campo de la astronomía durante siglos. En 1718, el astrónomo inglés Edmund Halley descubrió que varias estrellas se habían desplazado con respecto a las medidas de Hiparco casi 2000 años atrás. Las estrellas, por tanto, no estaban quietas, sino que se movían muy despacio por el firmamento, algo que ya había propuesto el astrónomo griego.

Más recientemente, en agosto de 1989, la ESA lanzó al espacio el primer satélite dedicado a medir la posición, distancia y movimiento de las estrellas, bautizado como Hipparcos en honor al padre de la astronomía. Durante cuatro años el Hipparcos tomó datos de casi 120000 estrellas, todas situadas a menos de 500 años luz de nosotros. Los resultados, publicados en 1997, fueron 200 veces más precisos que cualquier medida anterior. Tres años después, un análisis más profundo de los datos permitió publicar un segundo catálogo que abarcaba un mayor número de estrellas —en total, 2.5 millones—, aunque a costa de perder algo de precisión. Esta cantidad supone el 99 % de las estrellas de nuestro entorno que son hasta 100 000 veces más tenues que Sirio, la estrella más brillante del firmamento. El llamado "Catálogo de Tycho" lleva el nombre del gran astrónomo danés del siglo XVI Tycho Brahe.

La importancia de la distancia

Si queremos entender a fondo la física de las estrellas, es fundamental conocer la distancia que las separa de la Tierra. De lo contrario no podemos saber si su mayor o menor luminosidad es algo intrínseco, o se debe a que están más o menos cerca de nosotros. Es algo parecido a contemplar una bandada de pájaros volando en el cielo y que uno de ellos parezca más pequeño. ¿Cómo saber si de verdad es más pequeño o simplemente es que vuela más alto?

El método habitual para medir la distancia a las estrellas más cercanas es el de la paralaje. La paralaje es el pequeño desplazamiento que experimenta la posición aparente de un astro a causa del movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Lo mismo sucede cuando te pones un dedo extendido frente a la nariz y lo miras alternadamente con uno y otro ojo. El dedo se desplaza a izquierda y derecha con respecto al fondo. Y cuanto más lo alejes, menor es este efecto. Nuestro cerebro usa la paralaje de los objetos para estimar la profundidad y saber si un objeto está delante de otro.

En el caso de las estrellas, tales desplazamientos son minúsculos debido a la enorme distancia que nos separa de ellas, por lo que resultan muy difíciles de medir. La misión Gaia está revolucionando este campo, ya que puede calcular la paralaje estelar con una precisión sin precedentes de hasta 24 microsegundos de arco (hay 3 600 000 microsegundos de arco en un grado del círculo), varias decenas de veces mejor que sus antecesores. Esto equivale a determinar desde la Tierra el diámetro de una moneda de cinco pesos situada en la Luna. Gracias a Gaia somos capaces de conocer la distancia a las estrellas más cercanas con un error de apenas 0.001 %.

Determinar esta distancia no solo es importante para conocer mejor nuestra galaxia. La paralaje es el primer peldaño de la llamada escalera de distancias cósmicas: la sucesión de métodos para calcular la distancia a objetos cada vez más lejanos. Como cada método se apoya en las mediciones del anterior, mejorar la precisión de la paralaje puede ser fundamental para resolver algunas cuestiones pendientes de la cosmología, tan importantes como la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura. Entre ambas suponen más del 95 % de toda la materia y energía del Universo, y sin embargo desconocemos de qué están hechas.

Una posición privilegiada

En 1765 el gran matemático y físico suizo Leonhard Euler predijo teóricamente la existencia de tres puntos del espacio en el sistema Sol-Tierra donde se equilibran los campos gravitacionales de estos dos cuerpos. Esto significa que si dejamos en uno de esos puntos un tercer cuerpo, siempre que sea pequeño, se mantendría en la misma posición con respecto a la Tierra y el Sol sin necesidad de intervenciones. Poco después, en 1772, otro gran físico y matemático, el italiano Joseph Louis Lagrange, publicó un ensayo en el que identificaba dos puntos más. Quizá por eso hoy se les conoce como los puntos de Lagrange en lugar de los puntos de Euler.

Cada uno de los puntos de Lagrange tiene sus peculiaridades. Por ejemplo, el punto L2, que es donde está el satélite Gaia, se encuentra a casi 1.5 millones de kilómetros de la Tierra en la dirección opuesta al Sol. Esto permite a un satélite mantener sus paneles solares mirando en dirección a nuestra estrella mientras su telescopio apunta hacia el exterior del Sistema Solar. El punto L2, por tanto, es ideal para observar el espacio profundo. Además de Gaia, hay otros satélites en esa órbita, como el WMAP o el Herschel, a los que se añadirá próximamente el telescopio James Webb.

Los ojos de Gaia

Situado en el llamado punto de Lagrange L2 (véase recuadro), el satélite Gaia escanea el cielo por medio de dos telescopios que mantienen una separación de 106.5o entre sí. Un primer movimiento del satélite consiste en girar alrededor de su propio eje a un ritmo de una vuelta cada seis horas. Al mismo tiempo, dicho eje de rotación también se mueve lentamente alrededor de la dirección SolTierra, como si fuese un trompo, completando una vuelta cada 63 días. Si a estos dos movimientos le sumamos el de traslación del satélite alrededor del Sol en compañía de la Tierra, el resultado es que Gaia realiza un barrido completo del cielo cada seis meses. Se estima que al final de la misión habrá observado un promedio de 70 veces cada estrella, a un ritmo de 70 millones de estrellas al día.

La luz captada por los dos telescopios de Gaia se dirige a una cámara dotada de 106 sensores CCD (dispositivos de carga acoplada, de sus siglas en inglés), una versión mejorada de los sensores que podemos encontrar en las cámaras digitales convencionales. Cada uno de estos es un poco más pequeño que una tarjeta de crédito y más delgado que un cabello humano. En conjunto, este montaje equivale a una cámara de 1 000 millones de píxeles —un gigapíxel—, la más grande jamás lanzada al espacio. Gracias a ella, Gaia puede detectar estrellas un millón de veces más tenues que las visibles a simple vista.

En el interior de la cámara, los 106 sensores CCD están agrupados en cuatro secciones diferentes, cada una dedicada a una función concreta. Catorce CCD se encargan de barrer el cielo en busca de fuentes luminosas. La sección más grande, con 62 CCD, registra la posición y el brillo de los objetos celestes seleccionados por la computadora de a bordo. Otros 14 CCD se emplean para determinar la temperatura, el color y la composición química de los astros, mientras que 12 más calculan la velocidad con que se acercan o se alejan de nosotros. Con todos estos datos a su disposición, los investigadores pueden saber de qué objeto se trata (estrellas, galaxias, cuásares...) y cuáles son sus principales propiedades.

La historia de nuestra galaxia

Los datos de Gaia no solo han permitido realizar el mapa 3D más preciso de la Vía Láctea; midiendo también las velocidades a las que se mueve cada estrella, los astrónomos pueden reconstruir la historia de nuestra galaxia, avanzando y retrocediendo miles de millones de años como si fuera una película. Así estamos descubriendo episodios desconocidos hasta ahora de su pasado, a la vez que podemos adelantarnos a otros que aún no suceden. Ese es el objetivo último de la misión: investigar el origen y evolución de nuestra galaxia, la Vía Láctea.

A partir de los datos de Gaia, un equipo de astrónomos dirigidos por la astrónoma argentina Amina Helmi identificó en 2018 un grupo de estrellas cercanas al Sol que presentaba una composición química distinta y giraba alrededor de la galaxia en sentido contrario al de nuestra estrella. Una posible explicación es que estas estrellas no pertenezcan originalmente a la Vía Láctea. Gracias a simulaciones por computadora, Helmi y colaboradores confirmaron esta hipótesis y concluyeron que, hace unos 10 000 millones de años, una galaxia con la cuarta parte de la masa de la nuestra impactó contra la Vía Láctea y fue engullida por esta. Los investigadores bautizaron dicha galaxia como Gaia-Encélado.

Otro episodio similar está relacionado con la forma actual del disco de la Vía Láctea, la parte más visible de la galaxia donde residen la mayoría de sus cientos de miles de millones de estrellas. Los astrónomos llevan décadas preguntándose por qué el disco no es perfectamente plano, sino que está algo curvado hacia arriba por un lado y hacia abajo por otro. Los datos recopilados por Gaia a partir de seis millones de estrellas de su disco sugieren que hace unos 500 millones de años una galaxia satélite pasó tan cerca de la nuestra que provocó una sacudida en su disco. Sería algo parecido a cuando dejamos caer una piedra en un estanque y se forma una onda que se propaga por la superficie. La responsable pudo ser la galaxia enana de Sagitario, que gira alrededor de la Vía Láctea y que en aquella época estaba pasando por el punto de su órbita más cercano al centro de la Vía Láctea. No sería la primera vez que esta galaxia se acerca peligrosamente a la nuestra; de hecho terminará siendo absorbida por la Vía Láctea en el futuro.

La vida de las estrellas

Una forma muy intuitiva de estudiar la evolución de las estrellas es mediante el llamado diagrama de Hertzsprung-Russell (HR). Ideado hace más de un siglo por el astrónomo danés Ejnar Hertzsprung y por el estadounidense Henry Norris Russell de forma independiente, el diagrama representa dos de las propiedades básicas de las estrellas: la luminosidad frente a la temperatura superficial. Dado que ambas magnitudes van cambiando a lo largo de la vida de una estrella, la posición que ocupa la estrella en este diagrama permite determinar en qué fase de su evolución se encuentra. También sirve para poner a prueba los modelos de evolución estelar y verificar si encajan con los datos experimentales.

Hasta ahora, el diagrama de HR más completo era el que se elaboró hace unos años a partir de 20 000 estrellas observadas por el Hipparcos. Gaia ha utilizado la friolera de más de cuatro millones, siendo además estos datos de una precisión sin precedentes. La primera sorpresa del diagrama de HR obtenido por Gaia es la existencia de una población de enanas blancas no predicha por los modelos actuales y que rondaría las 0.8 masas solares. Las enanas blancas son los residuos estelares que quedan cuando una estrella como el Sol agota su combustible nuclear. Son muy abundantes pero difíciles de detectar, ya que emiten muy poca luz.

Gaia

Otros objetivos

Pero recordemos que Gaia no solo observa estrellas, sino cualquier objeto celeste de aspecto puntual. Esto proporcionará una valiosa información en diversos campos de las astronomía, más allá del estudio de la evolución de la Vía Láctea. Para empezar, se espera que observe decenas de miles de exoplanetas del tamaño de Júpiter en estrellas a menos de 500 años luz, a partir de pequeños bamboleos en la posición de la estrella causados por el tirón gravitacional del planeta que gira a su alrededor (véanse ¿Cómo ves? Núms. 201 y 256). Otro punto de interés será la observación de supernovas en galaxias lejanas mientras todavía crecen en brillo. De esta manera los astrónomos estarán preparados para medir con precisión el pico de brillo de estas violentas explosiones estelares, lo que resulta fundamental a la hora de calcular su distancia a nosotros.

También fuera de nuestra galaxia se espera que encuentre miles de enanas marrones, estrellas fallidas que no consiguieron acumular suficiente masa para iniciar la fusión nuclear en su interior. Las enanas marrones resultan muy interesantes porque son cuerpos celestes a medio camino entre un planeta gigante gaseoso como Júpiter y una estrella como el Sol. Más cerca de nosotros, Gaia también detectará cientos de miles de objetos que vagan por el cinturón de asteroides y el cinturón de Kuiper gracias a su extraordinaria precisión para observar objetos tenues en movimiento. Y se espera que ponga a prueba la teoría de la relatividad general de Einstein a partir de la trayectoria de los rayos de luz procedentes de otras estrellas.

Los datos de Gaia no solo seguirán aumentando en cantidad, sino también mejorando en precisión hasta el final de la misión. El avance del tercer catálogo de datos, publicado en diciembre de 2020, ya contenía la posición y brillo de más de 1 800 millones de estrellas. Dado su enorme éxito, la ESA decidió con buen criterio extender la misión hasta el 31 de diciembre de 2022, más allá de la fecha prevista inicialmente de 2019. Y todavía podría alargarla dos años más hasta 2024, el máximo permitido por el combustible que el satélite lleva a bordo. Una vez finalizada, habrá que esperar al menos otros dos años para que se publique el catálogo definitivo de la misión. Sin duda merecerá la pena. Quizá la misión Gaia nunca acapare los titulares de los periódicos, pero el análisis de los datos que va a proporcionar tendrá ocupados a los astrónomos durante décadas.

Daniel Martín Reina es físico y colaborador habitual de ¿Cómo ves? Es miembro del grupo de Investigación de Instrumentación Electrónica y Aplicaciones de la Universidad de Sevilla, España. Escribe el blog de divulgación “La aventura de la ciencia”: http://laaventuradelaciencia.blogspot.mx

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