El «Terrascopio»: usando la Tierra como un telescopio gigante

Por Daniel Marín, el 5 agosto, 2019. Categoría(s): Astronáutica • Astronomía ✎ 72

La Tierra está rodeada de una densa atmósfera que refracta la luz. Esta es la razón de que cada vez que vemos el Sol ponerse tras el horizonte en realidad ya hace un rato que está debajo del mismo y es la refracción de la luz la que permite que sigamos viéndolo. Por lo tanto, la atmósfera de la Tierra se comporta como una lente, aunque no hay muchas aplicaciones útiles de este fenómeno. Pero, ¿y si usásemos toda la atmósfera de la Tierra como una gigantesca lente? En este caso la luz se concentraría en un punto focal fuera de nuestro planeta. Un telescopio equivalente a un planeta entero, nada más y nada menos.

Concepto del Terrascopio (James Tuttle Keane).

Este concepto de «Terrascopio» ha sido concebido por el astrónomo David Kipping y es ciertamente ingenioso al mismo tiempo que fascinante. Pero, ¿es factible? Otros investigadores antes que Kipping analizaron el problema y llegaron a la conclusión de que es imposible usar la atmósfera de la Tierra como una enorme lente. Entre los numerosos impedimentos tenemos que la refracción depende de la longitud de onda —o sea, el color—, por lo que, para empezar, la atmósfera terrestre sería una enorme lente con una fuerte aberración cromática. El segundo problema, más grave, es que, visto desde el punto focal, la atmósfera no es un anillo perfecto debido a que no es exactamente redondo y, además, presenta irregularidades por culpa de la presencia de nubes y aerosoles. Y, por encima de todo, debemos tener en cuenta que su densidad varía en función de la temperatura.

Esquema del funcionamiento del Terrascopio para una longitud de onda determinada y un detector de diámetro W (David Kipping).

No obstante, Kipping ha vuelto a estudiar este concepto y cree que hay motivo para el optimismo. De entrada, veamos el tema de la aberración cromática. Del mismo modo que los amaneceres y atardeceres son rojizos y que en un eclipse de Sol visto desde la Luna la Tierra aparece rodeada por un disco de color rojo (la atmósfera), el Terrascopio solamente serviría para longitudes de onda largas, es decir, a partir del rojo y el infrarrojo. Para longitudes de ondas más cortas el punto focal estaría en la Tierra o demasiado cerca de esta. Una vez elegida la longitud de onda, las matemáticas nos dicen que, en realidad, más que de punto focal debemos hablar de línea focal, ya que existe una distancia mínima al foco y, a partir de ahí, vamos a tener sucesivos focos formando una recta. La razón es que la densidad de la atmósfera no es homogénea —obviamente es mayor cuanto más cerca de la superficie estemos—, así que cuanto más lejos estemos en esta línea focal veremos rayos refractados en capas más altas de la atmósfera.

Situación del foco del Terrascopio en función de la longitud de onda y la densidad de la atmósfera (David Kipping).

Naturalmente, la atmósfera terrestre no se extiende hasta el infinito, así que hay una distancia máxima a partir de la cual ya no podremos usarla como lente. Desde el punto de vista práctico, la distancia mínima al foco del Terrascopio es de unos 330 mil kilómetros (el 85% de la distancia a la Luna) y la máxima es de 1,5 millones de kilómetros, que es el límite de la Esfera de Hill de la Tierra (es decir, la frontera de su influencia gravitatoria). Cuanto mayor sea la distancia del detector a la Tierra mejor, ya que así estaremos usando las partes más altas de la atmósfera como lente, donde hay menos presencia de nubes y vapor de agua, un compuesto que absorbe fuertemente la luz en el infrarrojo. Kipping estima que lo ideal sería situar un detector en el punto de Lagrange L1 del sistema Tierra-Sol —un punto que está precisamente en el límite de la Esfera de Hill—, ya que la luz habrá pasado a través de la estratosfera, por encima de 13,7 kilómetros de altura y, por tanto, por encima de casi todas las nubes. A esta distancia las nubes solamente bloquearían el 8% de la luz estelar que pasa por el Terrascopio y, además, se podría observar en el infrarrojo cercano sin una absorción significativa por parte del vapor de agua. En esta configuración un detector de un metro podría alcanzar una amplificación de un factor de 22500 durante unas 20 horas de integración. O, dicho en palabras más simples, permitiría que un telescopio con un diámetro de unos diez centímetros de diámetro tuviese la misma área efectiva que un telescopio de 40 metros de diámetro (!). O que un telescopio de un metro fuese equivalente a uno de 150 metros. En definitiva, unas cifras impresionantes.

El Terrascopio en detalle (James Tuttle Keane).

Lógicamente, estos son valores ideales. Aunque usemos la estratosfera, la principal limitación del Terrascopio es la extinción atmosférica producida al pasar la luz por una masa de aire tan grande. Además de la extinción, la turbulencia acumulada limitaría el seeing del instrumento a varias decenas de segundos de arco, por lo que el Terrascopio únicamente podría ser usado para medidas fotométricas o espectrométricas y no serviría para obtener imágenes (al menos, no para imágenes útiles). La dispersión de la luz por la propia atmósfera —scattering de Raleigh y de Mie— y otros fenómenos como el airglow reducirían todavía más la sensibilidad del Terrascopio. Una forma de medir estas desviaciones sería usar un satélite con un láser situado en el punto opuesto a nuestro telescopio espacial con el fin de calibrar las turbulencias en la atmósfera, aunque eso aumentaría considerablemente la complejidad del sistema. También se podría emplear un coronógrafo o un obstáculo externo para bloquear el brillo de otras fuentes de luz terrestres que no provengan de la región de la atmósfera que nos interesa. Por otro lado, hay que recalcar que los objetos a estudiar no necesitarían estar siempre justo detrás de la Tierra: incluso con separaciones de un radio terrestre se produciría un efecto lente considerable. Si además podemos mover el satélite por el radio exterior de la Esfera de Hill, seremos capaces de observar casi toda la bóveda celeste.

El concepto del Terrascopio se asemeja al de un telescopio en el punto focal del Sol, aunque en este caso el efecto lente se produce por la desviación de la luz por acción de la masa de nuestra estrella según la Relatividad General de Einstein y no por la refracción. No obstante, huelga decir que es mucho más fácil mandar un telescopio a 1,5 millones de kilómetros que a 83 mil millones de kilómetros (550 Unidades Astronómicas), que es la distancia mínima a la que necesitamos poner un telescopio para aprovechar el punto focal del Sol. Pero, al igual que el Terrascopio, un telescopio en el punto focal del Sol se ve afectado por varios factores que limitan su efectividad, entre los que destacan los efectos de la corona solar. Por eso, tanto el Terrascopio como un telescopio en la línea focal del Sol serían más eficientes en longitudes de onda de radio, aunque quizás menos interesantes. Sea como sea, el Terrascopio —o «Kippingscopio»— es una idea fascinante y atrevida que podría ser extrapolada a otros planetas como Júpiter o Saturno. Sin duda, el Terrascopio todavía está muy verde. Quedan muchos obstáculos técnicos y teóricos por resolver antes de que pueda hacerse realidad. E incluso es posible que exista alguno insalvable. Pero, mientras no aparezca, sigamos soñando.

Referencias:



72 Comentarios

  1. Extraordinario artículo con un sencillo lenguaje logra comunicar principios fiscos que no siempre son tan fáciles de comprender enhorabuena

  2. Muchas gracias por esta clases de óptica definitivamente vamos a necesitar nuevas ideas para poder seguir opsebando el cosmos con tanta mega constelaciones de satélites que se van a lanzar 👍😁

      1. Juajuaaaa… Prometo no leer mas, cuando tenga sueño… Se me mezclo la lente gravitotoria, y vi como ventaja, la ausencia de atmósfera.. De nuevo gracias por todos los articulos.. Llegue a Naukas de la mano de Francis, y a día de hoy son los dos unicos que sigo.

  3. Increíble el concepto. ¿No existe ninguna misión programada para L1? Se podría agregar un pequeño “demostrador tecnológico” para probar si es factible…

  4. Una entrada interesantísima, que anima a interesarse por la óptica y la atmósfera.

    Creo que a los obstáculos insalvables para usar la atmósfera como lente habría que añadir las fuerzas de marea, que hacen cambiar contínuamente la presión y altura del aire, y en consecuencia la localización del foco donde ubicar el satélite terrascopio.

    1. Huuum… Se me ocurre (una idea sin contrastar) que ello podría corregirse por medios informáticos. En la astrofotografía amateur (como en la profesional) siempre que tomas y procesas imágenes tienes que usar software con algoritmos que compensan o reducen los efectos de las perturbaciones atmosféricas. Pero claro, a esa escala…

  5. En el punto Lagrange L1 deberíamos poner alguna cosa que haga sombra, no mucha, que reduzca un 2% o así la radiación solar para paliar los efectos de la emergencia climática. Pan de oro o similar. Habría que tener en cuenta el viento solar para acabar de establecer dónde soltarlo y que dure unos años antes de reponerlo si continúa haciendo falta.

    Ya sé que casi no viene al caso, pero hablamos de una emergencia, ¿no? Un desastre más bien.

    1. ¿Tú sabes el pedazo de objeto que necesitas poner en L1 para reducir un 2% la radiación solar? Por mucho que quieras hacerlo finito como por ejemplo una vela solar, sería impresionantemente grande por no hablar de que contrarrestar el viento solar en un objeto de este tipo, no es nada trivial.

      1. No. Con una nube de partículas de pan de oro o similar sería posible con pocos kg de carga. Hablamos de una reducción de radiación solar. En realidad, la idea no es mía, originalmente proponían construir burbujas de vidrio para conseguir el efecto.

        1. ¿Unos pocos kilos del metal más denso? ajá… ¿me puedes enseñar esos cálculos? a parte de que tener una nube de partículas en L1 se dice muy fácil.

          1. ¿Crees que si yo supiera hacer esos cálculos estaríamos discutiéndolo aquí? Si los supiera hacer y fueran factibles estarían en manos mejores y si no fueran factibles no habría publicado. Pero no sé porqué, me da que tú tampoco sabes hacerlos o no estarías aquí liado.

            Por cierto, pan de oro o similar… brilli-brilli!

    2. NOOO ! ! !
      ¿Has perdido la cordura? ¡Nos delataríamos ante los aliens! 🙂

      Tómate un Coffee Break 😉
      vivaldi.ll.iac.es/proyecto/coffeebreak/?p=1850

      El tema es tratado a partir del instante 0:08:15
      Saludos.

        1. Lo sé, y mi comentario va un paso más allá, porque dicha idea incluso se ha considerado como un posible tecnomarcador, es decir, algo que nosotros podríamos detectar con el método del tránsito (el mismo que usamos para detectar exoplanetas) que delataría la existencia de una civilización alienígena.

          De eso va el par de enlaces que puse: la posibilidad de detectar un tipo de “quasites” (quasi-satellites) llamado “statites” (stationary satellites), concretamente “statites heliocéntricos” que estarían aparcados un poco por delante de L1 en equilibrio con la presión del viento solar… y que muy difícilmente podrían ser objetos naturales, de ahí su potencial como tecnomarcador.

          https://www.youtube.com/watch?v=xpKdiABe4So

  6. Como siempre gran entrada. Precisamente estuve viendo el vídeo de Kipping el otro día y me dejó alucinado. En mi humilde opinión, creo que esto tiene mucho más futuro del que pueda parecer a simple vista. Me parece que este autor ha plantado la semilla de una idea que tiene que dar mucho juego en el futuro.

    Saludos.

  7. Para aprovechar una atmósfera como lente pienso que habría que usar la de un mundo que esté muy aislado de la influencia gravitatoria de otros, que ejerzan perturbaciones atmosféricas a escala global.

    Una idea, quizá demasiado futurista: Fabricar en torno a un asteroide, con sus propios recursos, un globo transparente enorme inflado con los volátiles del asteroide. Se controlaría la presión artificialmente, para compensar las pérdidas y los cambios de temperatura debidos a la radiación solar y el efecto invernadero.

  8. ¿Y el mismo concepto en Marte?
    Marte no tiene tantos problemas de nubosidad, y al ser su atmósfera menos densa y el planeta más pequeño seguramente no consigamos tanta amplificación, pero si menor distorsión y estar más cerca de observar imágenes.
    Tecnológicamente no me parece más difícil enviar un telescopio a Marte que a 1.3 millones de kilómetros, y en cualquier caso van a ser telescopios sin mantenimiento.
    Pienso en marte como un planeta con atmósfera transparente en que que aplicar el mismo concepto. Entiendo que Venus aunque tenga atmósfera no es viable.

    1. Justo estaba pensando yo en marte pero el problema es que si ya hay que enviar lejos el terrascopio, un martescopio el cual quedaría completamente inútil durante varios meses cada 2 años (no olvidemos las mega tormentas de polvo que cubren por completo su superficie, la última nos dejó sin oppy) y después la “lente” por llamarlo de alguna manera quedaría reducida a la mitad que aunque no sea nada desdeñable pierde parte de impulso la idea, pero insisto para mí el mayor problema es como enviar hasta allí el telescopio, además si pasa algo que hacemos, ¿pintamos la solución? La precisión requerida para llegar al L1 del sistema Marte-Sol requiere la máxima precisión y yo sigo teniendo en mente la Mars climate Orbiter que no se ni dónde andara ya, aún así como solución es muy válida y no creas que no me gusta la idea pero me ha parecido correcto buscar todos los problemas posibles en pos de la mejora.

      Un cordial saludo.

      1. Bueno, yo no creo que la más densa de las tormentas marcianas pueda ser peor que la nubes de la Tierra, y en cualquier caso es algo temporal. También los rovers de Marte hibernan y los hemos enviado y es mucho más sencillo enviar una sonda-telescopio que enviar un rover.

        Respecto a que la lente quedaría reducida a la mitad, hablamos sólo de amplificación, pero mientras que la lente con la Tierra podría usarse prácticamente sólo para fotometría, si la distorsión fuera menor quizás se podría aspirar a obtener imágenes. Esto al final es como si tienes un telescopio de 15mm y le pones una Barlow x3 y una lente de 3mm y obtienes una imagen muy amplificada pero donde apenas ves nada, y en cambio tienes un telescopio de 250mm con una lente de 12mm, donde ves más pequeño pero con mucha mejor resolución. Lo importante no es que la amplificación se quede en la mitad, sino que en Marte se puedan obtener mejores resultados. Que a lo mejor no es así y es una ida de olla mía, y en ese caso resulta absurdo, claro.

        En interferometría es lo mismo. Cuando se colocan telescopios/radiotelescopios separados, obtienes imágenes como si el espejo/disco fuera tan grande como la separación, pero no la resolución que tendrían si así fuera. Lo de Marte es para buscar resolución, no amplificación, y aumentar la resolución no debe disminuir el interés.

        En cuando a lo de si pasa algo, es lo mismo que si está a 1.3 millones de kilómetros de la Tierra. ¿Si pasa algo que hacemos? Porque no va a ir nadie a reparar.

        Finalmente, respecto a la precisión de punto de aparcado, si los indios han enviado sondas a Marte, Hemos aterrizado en cometas, orbitado asteorides, enviado sondas a los límites del sistema solar etc. claro que hay un riesgo, pero al final se trata de que pongan los pros y los contras, los posibles resultados y las amenazas, y creo que en cuanto a la precisión hay que creer que somos capaces, aunque siempre hay misiones que salen mal.

        Pero gracias por el escepticismo, por supuesto que no es algo exento de dudas, y ni tú tendrás todas las preguntas ni yo todas las respuestas.

        Saludos

        1. No acabo de entender tu lógica, te parece un problema enviarlo a 1,3 millones de km de la Tierra y te parece más sencillo enviarlo a Marte… que está a más de 200 millones de km de la Tierra.

        2. En interferometria el poder de resolución depende de la separación entre telescopios, como si tuvieras un espejo o antena del tamaño de la separación. Más separación, más poder de resolución.
          Lo que no tienes es la misma superficie colectora que un telescopio de diámetro gigante, por lo que la sensibilidad es muy poca. Puedes resolver mucho, pero si el objeto no es muy brillante, no tienes la sensibilidad para ver nada. Sobre todo si el interferómetro consta de pocos elementos.
          Por eso, para sintetizar imágenes en interferometria, cuantos más telescopios o antenas, mejor.
          El interferómetro ideal es el que llena con telescopitos o antenitas toda la superficie del telescopio virtual gigante que quieres imitar.

        3. Para mi el mayor problema sigue siendo “aparcar” como tú has dicho hemos aterrizado y hemos puesto en orbitas pero las misiones en las cuales “aparcamos” una sonda en un punto de lagrange son contadas que yo sepa está la de comunicaciones con la chang’e 4 en el L2 luna-tierra y hasta ahí llego no se si se me pasa alguna pero he ahí el problema a marte podemos entrar en órbita y descender “con facilidad” es algo rutinario pero porque hay atmósfera y es un cuerpo con gravedad sin embargo en un punto de lagrange no hay nada con lo que frenar más que los impulsores de a bordo lo que implica ingentes cantidades de combustible o tardar 2 años en llegar por ir más lento.

          1. Para mí el mayor problema es que la atmósfera marciana es unas 100 veces menos densa que la terrestre.

            Menor densidad atmosférica, menor refracción, menor “aumento”… y si además el diámetro del “lente” es la mitad, pues… aunque terrascopio y martescopio fueran el mismo problema, mismo esfuerzo, mismo coste… el retorno científico no sería el mismo.

  9. Hablando de telescopios: según el diario ‘El país’ de hoy, el consorcio que impulsa el Telescopio de Treinta Metros (TMT) ha activado el “plan B” para instalarlo en Canarias, “ante la firme oposición que han encontrado en su idea original de construirlo en la montaña sagrada hawaiana de Mauna Kea”. Es una suerte para España que los dioses de Hawái odien la astronomía; deberíamos estarles agradecidos. No digo yo que les sacrifiquemos una cabra, pero quizá estaría bien quemar al menos un poco de incienso en su honor. 😉

      1. Esa mayoría de hawaianos favorables al TMT ya ha tenido mucho tiempo para “movilizarse”. ¿A qué esperan para plantar cara a la minoría integrada por Khal Drogo y los demás? Como dice el periódico hoy, refiriéndose a los activistas: “Su firme protesta ya ha paralizado las obras del telescopio durante cinco años, un tiempo que supone importantes pérdidas económicas y científicas para una inversión científica como el TMT.”.

        1. Bueno, hay más cosas, como un proyecto de impacto ambiental muy mal hecho. Iban de sobrados.
          Por lo demás, todos estos grandes proyectos acumulan retrasos, no son los 5 años cosa de los nativos, sólo.

          1. Tevatron, las obras del ELT comenzaron en 2017 y por lo visto avanzan sin interrupciones. Pero estos telescopios tan colosales no pueden construirse en un par de años; necesitan bastante más tiempo. La primera luz del ELT está prevista para 2025.

  10. Hola Daniel

    “… y que en un eclipse de Sol visto desde la Luna la Tierra aparece rodeada por un disco de color rojo (la atmósfera)”
    Existen fotos de esto? Desde la LRO o del proyecto Apollo?

    Gracias

    1. Creo hay un pequeño error en lo de eclipse solar, el disco rojo aparece solo en uno de luna, y si hay fotos de ese efecto de disco rojo ¡pero desde aqui mismo! https://observatorio.info/2019/07/hdr-la-sombra-circular-de-la-tierra-en-la-luna , todavia no he visto imagen alguna de un eclipse lunar desde LA LUNA, pero me imagino a los futuros turistas selenos evocando toda clase de emociones al ver como un lugar casi monocromo volverse de un color rojo brillante durante unas cuantas horas.

  11. superando los impedimentos y se usara la tierra como un gran lente
    el Terrascopio estaría ubicado justo al otro lado de la Tierra y el Sol o en cualquier punto no paralelo a la linea tierra-Sol?
    sobre los usos ¿este Terrascopio serviría para observar que?
    si es para observar por ejemplo na estrella en particular ¿en cuanto se aumentaría la potencia del Terrascopio en comparación a un típico telescopio espacial?

  12. “Una forma de medir estas desviaciones sería usar un satélite con un láser situado en el punto opuesto a nuestro telescopio espacial con el fin de calibrar las turbulencias en la atmósfera, aunque eso aumentaría considerablemente la complejidad del sistema.”

    ¿No se podría añadir como instrumento extra a alguna misión de las que se van a lanzar hacia L2? No creo que fuera demasiado difícil añadirlo al WFIRST o al ATHENA, por ejemplo.

    1. Yo tampoco quiero ser optimista en exceso, pero si activan esto, les dan alas a los que están protestando en Hawaii, ya que se les marca una clara línea temporal de hasta donde tienen que aguantar. Si hasta ahora no tenían una fecha para dejar de protestar, lo cual … ciertamente les complicaba la cosa, ahora ya tienen la meta al alcance de la mano, con o cual, reforzarán las protestas.

      Ahora, que aquí se hagan bien las cosas… que no hay por qué dañar el entorno teniendo un mínimo de cuidado (los que se quejan siempre se quejarán, pero no les demos razones de más). Ah! y lo que más me ha sorprendido y dejado a cuadros es que vayamos a tardar un mes en dar respuesta a la petición del TMT porque los que tienen que hacer la valoración de impacto ambiental, legal y demás… están de vacaciones (hay que joderse también con nosotros).

  13. No creo que ocurra Hilario.
    De todas formas, si queremos avanzar en astronomía necesitamos telescopios de clase 30 metros distribuidos longitudinalmente por el planeta.
    Así que EN Hawaii Y EN Canarias. Necesitamos en los dos sitios.

    1. A ver, no es que ya esté decidido pero esto significa que han activado el plan B. En septiembre, cuando todos los trámites estén acabados, ya veremos qué pasa.

    2. Pues en Hawái va a resultar difícil poner nuevos telescopios, porque a las generaciones jóvenes les han enseñado en la escuela que las supersticiones de sus antepasados valen más que la ciencia moderna.

      1. También me pregunto si por allí no habrá otras cumbres igual o mejores.
        Pero sí, tienes razón. Y más desde el momento que decidieron que para poner nuevos telescopios había que quitar antiguos. Como si hubiera telescopios anticuados!

      2. Claro, pero tambien habria que tener un poco de empatia (no necesariamente simpatia, ojo) con esas personas y pensar que a lo mejor ellos le da mas reconocerse en su cultura y sus costumbres que el beneficio que (hipoteticamente) le pueda brindar la infraestructura del TMT (o los problemas que se presenten, quien sabe). Creo haber leido que hace tiempo sucedio algo parecido pero en tierra firme con la construccion de otro telescopio en EEUU.

        1. Sólo te ha faltado lo de “son sus costumbres y hay que respetarlas”…

          Este es un caso flagrante de ignorancia y superstición. Una cosa es estudiar las viejas supersticiones (o llámalas eufemísticamente tradiciones) y otra ponerlas por encima de la construcción de un telescopio.

          Está claro que antes que construir el telescopio había que haber empezado por mejorar la educación de los residentes. Pero claro, eso llevaría alguna generación que otra. Ya llegan tarde.

          Saludos.

        2. Supongo que te refieres al telescopio VERITAS de Arizona, cuya ubicación tuvo que cambiarse en dos ocasiones debido a la oposición tribal ejercida primero por indios de las montañas Santa Rita y después por los de Kitt Peak.

          Yo reconozco el derecho de toda persona a creer en los mitos animistas de sus antepasados. Sin embargo, me parece triste que por culpa de esas ridículas creencias animistas se obstaculice el progreso científico.

          1. No, disculpa me referia al Observatorio del monte Graham, ya lo busque, vino a mi mente por el telescopio binocular de ahi, el LBT, que por cierto tuvo mi atencion por el detalle de su diseño y sobre todo, el paisaje del lugar (una montaña en el bosque), muy parecidos al de Monte Palomar y al del Anglo Australiano.

      1. “Longitudinalmente”… en la dirección Este-Oeste… para poder mantener en la mira de grandes telescopios fenómenos astronómicos de singular importancia mientras la Tierra rota.

        Canarias y Hawaii en el hemisferio Norte son casi idealmente complementarios porque están casi diametralmente opuestos, similar al caso de Chile y Australia en el hemisferio Sur. Estos 4 sitios son de los más naturalmente privilegiados en el mundo para la observación astronómica, los lugares más lógicos para construir grandes telescopios.

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Por Daniel Marín, publicado el 5 agosto, 2019
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