Qué se necesita para construir un observatorio de próxima generación
Cuando se oye hablar de grandes proyectos científicos, como un enorme telescopio nuevo o un acelerador de partículas de kilómetros de largo, suele ser en el contexto de los grandes descubrimientos científicos que se han realizado. Pero antes de que alguien pueda lograr un gran avance científico, alguien necesita diseñar y construir estas enormes instalaciones. Y eso puede significar aglutinar colaboraciones internacionales, tender líneas eléctricas y enfrentar condiciones climáticas extremas sólo para verter el concreto.
Desde ratas que mastican cables de fibra óptica hasta tiendas de campaña inflables para protegerse del calor de 100 grados, la ciencia puede ser confusa cuando se encuentra con el mundo real. Hablamos con representantes de tres grandes proyectos científicos actuales y futuros para aprender qué se necesita para convertir una zona árida de roca y tierra en un observatorio de clase mundial.
Detectando algo nuevo
Muchas instalaciones grandes son mejoras incrementales de proyectos existentes, pero a veces la ciencia da un paso adelante en una dirección completamente nueva. Esto es lo que ocurrió cuando se detectó por primera vez ondas gravitacionales, lo que logró el LIGO ( Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser ) en 2015 y por el que los investigadores recibieron el Premio Nobel de Física.
La instalación que realizó su detección comenzó como una versión básica llamada Inicial LIGO. Fue diseñado para probar si era posible alcanzar la sensibilidad de los detectores necesarios para detectar ondas gravitacionales , e incluso esta versión "básica" requirió décadas de planificación y trabajo.
Stefan Ballmer, un experto en ondas gravitacionales de la Universidad de Syracuse que trabajó tanto en la versión inicial como en la avanzada de la instalación, describió el impulso de la instalación original: "Creemos que podemos lograr esta increíble sensibilidad, así que gastemos la menor cantidad de dinero para demostrar que es factible”.
El LIGO inicial estuvo operativo de 2002 a 2010; Durante ese tiempo, no detectó ninguna onda gravitacional. Sin embargo, eso no fue necesariamente un fracaso, porque el observatorio logró la sensibilidad necesaria para realizar una detección, algo que muchas personas no estaban seguras de que fuera posible.
“Si la gente tenía dudas sobre todo esto, no es que no creyeran que existían las ondas gravitacionales. Se mostraron escépticos sobre el espectáculo que se requería para verlos. Y en ese sentido, Initial LIGO cumplió”, explicó Ballmer.
Así, los investigadores pudieron conseguir financiación para mejorar la instalación y convertirla en LIGO Avanzado, y el trabajo comenzó en 2008. Con detectores mejorados, el observatorio realizó una detección casi de inmediato. “Con Advanced LIGO tuvimos suerte. Y tan pronto como realmente encendimos la máquina, comenzamos a ver eventos”.
Elegir la ubicación correcta
Uno de los mayores problemas actuales con los proyectos a gran escala es dónde ubicarlos. Este tipo de proyectos suelen ser grandes cooperaciones internacionales, por lo que los planificadores deben encontrar un sitio que sea ambientalmente adecuado y que tenga un gobierno local dispuesto a apoyar el proyecto.
"Ese es el gran desafío en estos días: una sola nación realmente no puede hacer las cosas que se requieren en la escala de las próximas fronteras", dijo Joseph McMullin, director general adjunto y director de programas de Square Kilometer Array Organization . "Por eso se requieren estas colaboraciones internacionales".
El Square Kilometer Array es un próximo observatorio de radioastronomía que incluye antenas construidas en dos sitios, uno en Sudáfrica y otro en Australia Occidental. Estos sitios fueron elegidos principalmente debido a la mayor preocupación por las observaciones de radio: la interferencia de radiofrecuencia. Dondequiera que los humanos produzcan ondas de radio, como por ejemplo desde teléfonos móviles y ordenadores portátiles, esta radiación puede interferir con las débiles señales que los astrónomos intentan detectar.
“El desafío de lo que estamos haciendo es observar fuentes muy débiles, a través de varias pantallas de nuestra atmósfera, e incluso a través del medio interestelar o intergaláctico en algunos casos, y luego toda la sistemática de nuestros instrumentos, y luego tratar de calibrar esos para que podamos retener esa señal específica”, explicó McMullin. "Las transmisiones adicionales complican ese tipo de efectos".
El problema es que los lugares con bajos niveles de interferencia de radio también tienden a estar escasamente poblados, lo que hace que sea difícil construirlos. En teoría, algún lugar como la Antártida sería el lugar perfecto para instalar un radiotelescopio, pero las dificultades de construcción y dotación de personal en tal ubicación lo hacen poco práctico.
Los dos sitios elegidos para SKA tienen la ventaja de contar con alguna infraestructura existente porque ya albergan telescopios alojados en instituciones asociadas. Agrupar los telescopios en ubicaciones adecuadas ayuda a compartir la carga cuando se trata de requisitos como la construcción de carreteras o el funcionamiento de líneas eléctricas y de agua.
Y todo eso es necesario incluso antes de poder empezar a construir estructuras como alojamiento y comedores para los trabajadores necesarios para la construcción. "A menudo pensamos que estamos construyendo un observatorio, pero en realidad estamos construyendo ciudades", dijo McMullin.
compartiendo la carga
Cuando los investigadores estaban planificando el próximo Observatorio Vera Rubin , que se está construyendo en una montaña llamada Cerro Pachón en Chile, tenían preocupaciones similares. Necesitaban un lugar con poca nubosidad y muchas noches despejadas para sus observaciones, pero también querían un lugar con una infraestructura decente.
La montaña que eligieron ya alberga otros dos grandes telescopios, Gemini y SOAR, así como otros instrumentos más pequeños y más ubicados en la montaña de al lado.
"Estamos muy remotos, pero no aislados", explicó Jeff Barr, director de proyectos de sitio y telescopio del Observatorio Rubin. "Tenemos vecinos, y los vecinos necesitaban infraestructura que ya habían construido".
Eso significaba que ya había electricidad y agua disponibles en las cercanías, al igual que las carreteras más importantes que permitieron a los equipos y equipos de construcción subir a la montaña. También existía una infraestructura de comunicación, que era un sistema de transmisión basado en antenas, pero eso no habría sido suficiente para la enorme cantidad de datos que Rubin producirá cada noche.
Entonces Rubin acordó instalar líneas de comunicación de fibra óptica, que no sólo servirían a su propio observatorio sino también a los demás en la montaña. Los observatorios forman parte de un mismo consorcio, denominado AURA (Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía), por lo que comparten infraestructura mutua.
"Hay una especie de aceptación que genera cada nuevo observatorio", dijo Barr. "Ofrece algo que aún no existía, por lo que se comparte el costo y la inversión necesarios para trabajar en la montaña".
Sentando las bases
Se podría imaginar que sería sencillo tender una línea de fibra óptica, no tan diferente de las empresas que ofrecen cada vez más conexiones de fibra a hogares residenciales en muchas áreas urbanas. Sin embargo, construir en una ubicación tan remota plantea algunos desafíos.
Había líneas eléctricas colgadas de postes a lo largo del valle, por lo que los equipos podían usar esos mismos postes para colgar las líneas de fibra. Pero después de dividirse para Rubin y los otros observatorios, la línea debe pasar en su mayor parte bajo tierra.
“Uno de los desafíos de trabajar en esa montaña es que tan pronto como comienzas a excavar, a quince centímetros de profundidad, ya es roca sólida. Muy sólido”, dijo Barr. "Prácticamente hay que volarlo para hacer un agujero de cualquier tamaño".
Eso dificulta el martillo neumático, por lo que a menudo la línea se coloca lo más profundo posible y luego se amontona roca encima. Esa roca proporciona cierta protección, pero la línea sigue siendo vulnerable a la población local de roedores, que regularmente mastican los cables. "Contamos con servicios de control de plagas todo el tiempo, pero aun así tenemos que retroceder y hacer reparaciones cuando se mastica una línea".
Barr dijo que los roedores hambrientos son parte integral del trabajo en un ambiente tan salvaje: “Es muy natural. Excepto por las áreas alrededor de los observatorios, es prácticamente sólo la montaña”.
Los observatorios trabajan dentro de pautas para minimizar el impacto en el medio ambiente, incluidos los hábitats de algunas especies amenazadas de cactus y viscachas, roedores raros (y extremadamente lindos) parecidos a conejos que viven en la zona.
El impacto patrimonial
Sin embargo, las preocupaciones por la preservación no sólo se aplican a las cuestiones medioambientales. Algunos de los sitios utilizados para observatorios son de importancia patrimonial para los humanos. El sitio de SKA en Australia Occidental, por ejemplo, está ubicado en Wajarri Country. Los Wajarri Yamaji son los propietarios tradicionales del terreno donde se está construyendo el telescopio, por lo que la organización trabaja con los Wajarri para garantizar que el patrimonio cultural esté protegido, por ejemplo, realizando recorridos en el sitio con monitores del patrimonio cultural Wajarri antes de comenzar la construcción y un monitoreo continuo. durante la construcción.
“Estos son nuestros colegas y vecinos, y son parte del equipo en un nivel fundamental. Muchos de ellos están asumiendo posiciones con nosotros para construir el observatorio”, dijo McMullin. “También tienen una sólida historia y herencia de observación astronómica. Por lo tanto, se trata de vincular estas cosas a través de las diferentes técnicas que se utilizan”.
También se tienen en cuenta los impactos a largo plazo de los sitios australianos y sudafricanos, que han sido diseñados para ser desmantelados eventualmente para que la tierra pueda regresar a su estado original.
"Estamos planeando que este sea un observatorio de 50 años", dijo McMullin. “Así que vas allí, construyes, investigas y luego lo desmantelas. Devuelves esa área al mismo estado en el que estaba”.
Construir en un entorno difícil
Ya sean temperaturas superiores a los 100 grados Fahrenheit en Australia Occidental o fuertes vientos y riesgos de terremotos en Cerro Pachón, los lugares donde es posible que desee construir un observatorio no suelen ser acogedores para la construcción.
El acceso a la montaña en Chile puede estar cortado durante semanas durante el invierno cuando nieva, e incluso cuando es accesible, las condiciones significan que el trabajo lleva más tiempo que en otros lugares.
"Hay que entender que las cosas no van a ser tan rápidas como se espera", dijo Barr. “Es un ambiente hostil y poco acogedor para intentar realizar un trabajo técnico. Tienes que tener eso en cuenta en prácticamente todo lo que diseñas”.
En Australia, los equipos de SKA necesitan instalar más de 100.000 antenas en muchos sitios diferentes, por lo que controlan las altas temperaturas y los altos rayos UV preparando la mayor cantidad posible de la instalación fuera del sitio. Cuando lleguen al lugar, utilizarán tiendas de campaña inflables especialmente diseñadas con aire acondicionado para protegerlos de los elementos mientras trabajan.
Pero incluso los lugares que no son tan difíciles tienen sus desafíos. Para la próxima generación de detectores de ondas gravitacionales, los diseñadores deben construir tubos muy rectos y muy planos de 40 kilómetros de largo.
"Es irónico que la pieza más grande del detector no sea absolutamente nada", dijo Ballmer. "Es un tubo de vacío de 40 kilómetros de largo y hay que encajarlo en alguna parte".
Para los detectores que se planean en los EE. UU., la idea es instalarlos principalmente en la superficie, ya que debería haber suficiente espacio para hacerlo. Sin embargo, en Europa, donde también se está planificando otro detector de ondas gravitacionales, no hay suficiente superficie terrestre para instalar un detector en superficie, por lo que probablemente tendrá que ser subterráneo. Eso añade gastos a la construcción, pero también complica mucho el mantenimiento.
“Lo que buscamos es simplicidad”, dijo Ballmer. “¡Ya es bastante complicado construir estos detectores! Todo lo que podamos mantener simple es mejor”.
El factor humano
Llevar máquinas y equipos al sitio es una cosa, pero incluso con todas las herramientas del mundo, la construcción aún debe ser realizada por personas. En Rubin, un equipo de más de 100 trabajadores podría estar en el lugar diariamente durante la construcción. “Creo que el costo de la fuerza laboral –el factor humano– es tan desafiante como cualquier otra cosa”, dijo Barr. "Es un entorno muy difícil".
Los trabajadores no sólo tienen que lidiar con el frío, el viento, el polvo y las condiciones de gran altitud que se encuentran en la cima de una montaña, sino que también se necesitan varias horas para viajar hasta el sitio, por lo que muchos pasarán doce horas al día lejos de casa, saliendo a las 6 am “Lo que realmente me sorprende son las personas”, dijo Barr. "Pueden trabajar en ese entorno y hacer estas cosas difíciles".
Este tipo de proyectos tardan décadas en pasar desde la concepción hasta el diseño, la construcción, la puesta en servicio y un observatorio en funcionamiento, por lo que es muy posible que las personas que originalmente impulsaron su construcción estén jubiladas cuando comiencen a hacer ciencia. Pero eso no es necesariamente un problema, ya que las generaciones anteriores construyen y transmiten herramientas para las nuevas generaciones de científicos que recién comienzan sus carreras.
Ese sentido de obligación hacia el futuro es parte de la motivación para construir nuevos detectores de ondas gravitacionales, dijo Ballmer, pero también es un placer pensar en cómo se podría lograr tal cosa.
"Es, en cierto nivel, un servicio para la próxima generación de físicos", dijo Ballmer. "Pero también, cuando te sientas y ves lo que es posible con estas máquinas: que puedes construir algo que vea cada agujero negro hasta las primeras estrellas, que puedes observar fenómenos de objetos de tamaño estelar que se encuentran en estas galaxias que incluso el telescopio Webb tiene problemas para resolverlo; no intentar hacerlo sería casi un crimen”.