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FÍSICA

En una nueva frecuencia

Un telescopio desarrollado en São Paulo detectará explosiones solares en la franja de los terahertz desde un globo estratosférico

El telescopio Solar-T en la etapa de sus últimos ajustes en la empresa Propertech, de Jacareí (SP), antes de su envío hacia Estados Unidos

Léo RamosEl telescopio Solar-T en la etapa de sus últimos ajustes en la empresa Propertech, de Jacareí (SP), antes de su envío hacia Estados UnidosLéo Ramos

Al cabo de 10 años de trabajo, está listo el primer dispositivo brasileño destinado a medir y estudiar uno de los aspectos menos conocidos y más misteriosos de la actividad solar: las radiaciones emitidas en el origen de las explosiones que ocurren en la estrella en la banda del infrarrojo lejano, también conocida como terahertz (THz). Se trata del Solar-T, un telescopio que no capta imágenes, tal como lo hacen sus símiles ópticos. Éste reconoce y mide las radiaciones emitidas por los objetos observados. Funciona a semejanza de un fotómetro, midiendo la intensidad de los fotones, que son las partículas asociadas a las ondas electromagnéticas, como la luz. Se espera que el dispositivo realice su primer vuelo sobre la Antártida a bordo de un globo estratosférico, a 40 kilómetros (km) de altura, junto a un experimento de la Universidad de California en Berkeley, Estados Unidos, en el verano de 2015, en el marco de una misión que se prolongará durante dos semanas.

El artefacto se desarrolló, merced a una asignación de 590 mil reales aportados por la FAPESP, en la Universidad Presbiteriana Mackenzie, de São Paulo, en colaboración con el Centro de Componentes Semiconductores de la Universidad de Campinas (Unicamp). La medición de las radiaciones emitidas por el Sol se realiza en la franja de los terahertz del espectro electromagnético que, entre otras, comprende a las ondas de radio, el infrarrojo y la luz visible. “No existe hasta ahora un dispositivo igual en el mundo que opere en las frecuencias de THz, con el objetivo de estudiar las explosiones solares”, asegura el investigador del equipo, Rogério Marcon, del Laboratorio de Difracción de Rayos X del Instituto de Física de la Unicamp y creador del Observatorio Solar Bernard Lyot, una institución privada de Campinas que participó en el proyecto Solar-T. “La banda de los THz se utiliza en medicina y seguridad, pero en la astrofísica solar es inédita”.

En opinión de Marcon, el trabajo del grupo del Mackenzie y la Unicamp sitúa a Brasil a la cabeza de las investigaciones en detectores en la franja de THz y acerca de la naturaleza de las explosiones solares. “Todo es novedoso”, dice. El mismo equipo desarrolla el proyecto Hats (high altitude terahertz solar telescope), un telescopio terrestre, con objetivos similares a los del Solar-T, aunque con diferencias tecnológicas y de operatividad. Ese nuevo artefacto estará listo para el final de 2014, y probablemente será emplazado en el Parque Astronómico de Atacama, a 5.100 metros de altura, en los Andes chilenos. “Hasta ahora hemos obtenido financiación por 300 mil reales del CNPq [el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico] y del Mackenzie”, comenta Pierre Kaufmann, del Centro de Radioastronomía y Astrofísica Mackenzie (Craam), coordinador de ambos proyectos.

Infografía: Ana Paula Campos / Ilustración: Pedro HamdanEl proceso que condujo a esos dos equipamientos se inició en 1984, cuando Kaufmann detectó las primeras señales de que las explosiones solares podrían emitir radiación en la banda de los terahertz, también denominados rayos T. Según refiere, hasta los años 1970 se creía que las explosiones emitían radiación con frecuencias de microondas, como máximo, y luego decaían. Posteriormente, algunos investigadores, como en los casos del inglés David Croom y el estadounidense Fred Shimabukuro, revelaron que en las explosiones solares aparecía un tipo de radiación con intensidad creciente, que, ahora se cree, podría llegar hasta los terahertz. Sin embargo, a causa de las limitaciones y la baja sensibilidad de sus telescopios, ellos no consiguieron determinar la frecuencia máxima que alcanzaba esa radiación.

En 1984, un descubrimiento del propio Kaufmann y su equipo engrosó el conocimiento en esa área de investigación. “Por medio de un telescopio con mayor sensibilidad, del Radio Observatorio de Itapeninga, en Atibaia [en el interior paulista], detectamos una explosión solar con una radiación de intensidad creciente, hasta alcanzar 100 gigahertz [GHz]”, relata. “En esa época, redactamos un artículo científico, que se publicó en 1985 en la revista Nature, en el cual propusimos la existencia de radiaciones solares con frecuencias superiores a los 100 GHz. El descubrimiento tuvo un impacto tremendo. A partir de ese trabajo, corroborado por el de otros autores, empezamos a intentar la detección de radiaciones en rangos más elevados”.

Kaufmann comenta que, para ello, la FAPESP aprobó, en 1997, un proyecto para las investigaciones sobre radiaciones solares en las frecuencias de 200 y 400 GHz, o sea, 0,2 y 0,4 THz, respectivamente. Esa financiación hizo posible la construcción del Telescopio Solar para Ondas Submilimétricas (SST) que se instaló en el Complejo Astronómico El Leoncito (Casleo), situado en los Andes argentinos a 2.600 metros de altitud. “En noviembre de 2003 detectamos esa radiación en dos frecuencias: 212 GHz y creciente hasta 405 GHz”, relata el investigador del Mackenzie. Hasta entonces, la mayor frecuencia que se había medido en el mundo era la de 100 GHz. “Por medio de ese telescopio, nosotros detectamos la existencia de dos componentes de radiación en las explosiones solares, una en el rango de las microondas, bastante conocida, y otra en la banda THz simultánea y nunca percibida. Pero debido a las limitaciones de las observaciones efectuadas a ras del suelo, no logramos determinar qué frecuencias podría alcanzar esa radiación. Incluso a elevadas alturas, la atmósfera es opaca para casi toda la banda THz del espectro”.

Ahora, con el Solar-T y el telescopio de suelo, el investigador pretende ir más allá. El primero está subdividido en dos dispositivos, uno para detectar radiación de tres THz y el otro, de siete THz. Cada uno de ellos consta de dos partes: el primero es el sistema colector, o los telescopios propiamente dichos, para captar la radiación solar, y el sistema sensor. Cada telescopio posee una configuración óptica del tipo Cassegrain con dos espejos, el principal, cóncavo y con 7,6 centímetros de diámetro, y otro convexo, menor, además de filtros especiales destinados a bloquear las radiaciones indeseables, tales como las ondas electromagnéticas en la banda del infrarrojo cercano y no visible, que podrían recalentar o incluso incendiar al artefacto, además de enmascarar al fenómeno que se intenta detectar en las frecuencias THz. Otros filtros y mallas metálicas delimitan la frecuencia que se desea detectar, en estos casos, de tres y siete THz. Si bien no captan imágenes, los espejos resultan necesarios para captar y concentrar las radiaciones electromagnéticas.

La configuración del Solar-T, en parte se aplicará al Hats, un telescopio terrestre que se instalará en los Andes chilenos

Léo RamosLa configuración del Solar-T, en parte se aplicará al Hats, un telescopio terrestre que se instalará en los Andes chilenosLéo Ramos

La segunda parte del Solar-T es el sistema sensor, compuesto por una Célula de Golay, un dispositivo fabricado por la empresa Tydex, de San Petersburgo, en Rusia. Se trata de un detector optoacústico que registra las variaciones en la intensidad de la radiación. El Solar-T cuenta incluso con un sistema de captura, almacenamiento, transmisión y recepción de datos, concebido por las empresas brasileñas Propertech Tecnologia, de Jacareí, y Neuron, de São José dos Campos, en el interior de São Paulo. La primera también es responsable de la integración de todos los componentes y del montaje final del artefacto.

Ambos telescopios presentan dos innovaciones. La primera se encuentra en el espejo mayor, que es rugoso. “El objetivo de esa rugosidad consiste en propagar la radiación infrarroja”, explica Kaufmann. “De este modo logra irradiar el 80% de esa luz. El 20% restante es suprimido por los filtros, y así eliminamos el infrarrojo y la luz visible”. La otra innovación que fue objeto de una solicitud de patente, es un dispositivo que capta cualquier explosión proveniente del disco solar. Para eso, se necesita que la imagen del disco completo se enfoque en la superficie del sensor. Los datos obtenidos por el Solar-T se almacenan y envían hacia satélites de la red Iridium, que los transmiten hacia una estación terrestre y desde ahí, a través de internet, para los científicos.

El telescopio terrestre, denominado Hats, tiene básicamente la misma función, pero su tamaño y configuración son diferentes. Dispone de un espejo cóncavo, con 46 centímetros de diámetro, y foco corto, de acuerdo con el mismo concepto óptico utilizado en el Solar-T donde la radiación solar es reflejada hacia el sensor. El objetivo consiste en detectar radiación en “ventanas” de 850 gigahertz y 1,4 terahertz. “Es un artefacto completamente robótico, con un sistema propio de rastreo y de maniobras utilizadas para calibrar y determinar la opacidad atmosférica. También cuenta con una cubierta retráctil automática comandada desde la estación meteorológica para protegerlo según el régimen de intemperie local”, explica. “Además, contará con una estación generadora de energía propia, mediante paneles solares, y facilidades para la transmisión remota de datos”.

Esas tecnologías utilizadas en ambos equipamientos permitirán avances científicos importantes en el conocimiento de los mecanismos, fundamentalmente en la producción de energía, que es lo que está por detrás de las explosiones solares. Según Kaufmann, casi no hubo avances conceptuales en el área durante los últimos 60 años. “Lo que hoy sabemos es tanto como cuando fueron descubiertas”, dice. “Existen varios modelos que intentan explicar el fenómeno, pero ninguno pudo comprobarse”. La comprensión del rol de la radiación en la banda de los terahertz no es una mera curiosidad científica. Esos fenómenos, que se repiten con mayor intensidad cada 11 años, más o menos, tienen implicaciones directas en el día a día de la civilización actual. En 1989, por ejemplo, cuando se produjo una de las más violentas explosiones solares que se hayan registrado, hubo una caída en la transmisión de la electricidad en algunos países: en el este de Canadá, en la costa este de Estados Unidos y en Suecia. Actualmente se sabe que tales eventos pueden afectar a los satélites, sistemas de navegación por GPS y las telecomunicaciones, incluso a los teléfonos celulares. Como consecuencia de ello, los daños en los satélites pueden provocar un funcionamiento deficiente del sistema de comunicaciones y navegación en aviones y barcos. La comprensión de ese fenómeno es la mejor manera de prevenir todo eso.

El Solar-T volará sobre un globo estratosférico hasta 40 km de altura, para librarse del manto opaco de las radiaciones en terahertz de la atmósfera. El equipo de Kaufmann recibió dos propuestas para volar casi sin costos. En la Universidad de California, el Solar-T volará con el experimento de rayos gama Grips (gamma-ray imager-polarimeter for solar flares), que posee un sistema automático de enfoque y rastreo del Sol. En primera instancia se efectuará un vuelo de prueba, durante un día, en Texas, en septiembre de este año, coordinado por un grupo de lanzamiento de globos sonda de la Nasa (cuya probabilidad de confirmación es de un 80%). La otra invitación es para una misión con una duración de 7 a 10 días sobre Rusia, en colaboración con el Instituto de Física Lebedev de Moscú. En ese caso será necesario desarrollar un nuevo sistema de posicionamiento para el Sol, lo cual requerirá mayores recursos.

Proyecto
Solar flare THz measurements from space: phase I (2012-2013) (nº 2010/ 51861-8); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Pierre Kaufmann (Universidad Presbiteriana Mackenzie); Inversión R$ 429.972,33 y US$ 64.000,00 (FAPESP).

Artículo científico
KAUFMANN, P. et alSolar burst with millimetre-wave emission at high frequency only. Nature. v. 313, p. 380. 1985.

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