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

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:



70 Comentarios

  1. Hola Daniel, buen artículo. Corrige la fuente de la ilustración «Situación del foco del Terrascopio en función de la longitud de onda y la densidad de la atmósfera (David Kipoing)».

    Saludos

  2. Dani se que es off topic, pero me gustaria te animaras a contarnos tu punto de vista sobre el multiverso como consecuencia real de la inflación

  3. ¿Y si se utilizara el concepto de terrascopio para apuntar y el SODA (https://danielmarin.naukas.com/2016/11/14/soda-un-sistema-de-alerta-temprana-ruso-para-prevenir-el-choque-de-asteroides/) para designar blancos, se podría utilizar este mismo sistema para proyectar y concentrar descargas láser, generadas desde un satélite alimentado con energía nuclear del tipo УС-А; por ejemplo, sobre NEOs que puedan colisionar con la tierra? ¿Una constelación podría apuntar a distintos objetos a la vez o acelerar el apuntado para interceptar los más cercanos y dispersos?

    1. Descubrir un NEO con ese sistema sería una cosa, apuntarle a voluntad ya sería otra cosa muy distinta. Y mantener al NEO en la mira durante meses o años mientras el láser hace su trabajo (desviación del NEO por empuje de la ablación láser) sería pesadillesco tirando a imposible con ese sistema.

      Para concentrar varios haces láser en un blanco, se los apunta hacia ese blanco y listo, no hay que «enfocar» nada. Un haz láser ya está «enfocado» por partida doble, es luz colimada y coherente. No se gana nada al hacer pasar un haz láser por una atmósfera, al contrario, se pierde potencia, colimación y coherencia.

      Más info :

      deepspace.ucsb.edu/projects/directed-energy-planetary-defense

      danielmarin.naukas.com/2016/04/14/de-starlite-una-sonda-con-laseres-para-defender-a-la-tierra-de-los-asteroides/

      Saludos.

      1. Bueno, viendo el proyecto de la Academia Militar Espacial A.F. Mozhaiski (https://actualidad.rt.com/actualidad/323400-rusia-gasolinera-satelites-espacio), podría servir para proyectar energia por láser de generación solar desde satélites generadores en la cara diurna a la cara nocturna de la tierra (https://danielmarin.naukas.com/files/2019/08/EA7OMSzUwAE82zQ.jpeg), donde los satélites con receptores láser obtendrán la transferencia energética; aumentando sus posibilidades de consumo energético y reduciendo la necesidad de elementos para almacenar energía fuera del alcance de la radiación solar.

  4. Aunque basado en otro principio óptico, me ha recordado el concepto de «Aragoscopio», del que Daniel ya habló aquí: https://danielmarin.naukas.com/2014/06/08/doce-nuevos-conceptos-de-la-nasa-para-explorar-el-sistema-solar/

    En instructables alguien probó y demostró el concepto:
    https://www.instructables.com/id/Aragoscope/

    https://www.nasa.gov/content/the-aragoscope-ultra-high-resolution-optics-at-low-cost/

    Quizás del desarrollo de superficies desplegables recién demostrado en la vela solar de la Planetary Society podría aplicarse en un pequeño cubesat demostrador. Sería un proyecto fascinante.

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Por Daniel Marín
Publicado el ⌚ 5 agosto, 2019
Categoría(s): ✓ Astronáutica • Astronomía