Instrumento TolTEC instalado en el salón de receptores del GTM. El criostato que contiene los detectores se observa al fondo, en una estructura metálica abovedada y decorada con cintas de talavera, tras una estructura cilíndrica blanca suspendida, que con- tiene uno de los refrigeradores.
Al Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM), la antena que se ve sobre el Tliltépetl (Volcán Sierra Negra, 4580m) a nuestro paso por la caseta de cobro de Esperanza en la autopista Puebla-Córdoba, le llegó a finales de 2021 un nuevo instrumento para hacer imagen de grandes zonas del cielo: “la nueva cámara de fotos”. Durante meses recogimos las piezas que llegaron embaladas desde los laboratorios de la Universidad de Massachusetts en Amherst (Umass-Amherst, EUA), y lo ensamblamos en los laboratorios del GTM, que se encuentran en el sótano del telescopio, para luego elevarlos por grúa hasta el salón de instrumentación, unos 30 metros más arriba. La UMass-Amherst es el socio principal de México en la construcción y operación del GTM, y el investigador principal y diseñador de TolTEC es profesor de esta universidad. El equipo científico de TolTEC consta de más de 70 investigadores y estudiantes de posgrado, principalmente de los ocho institutos miembro: la UMass-Amherst, la Universidad de Northwestern, la Universidad del Estado de Arizona, la Universidad de Michigan, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EUA, la Universidad de Cardiff del Reino Unido y el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) de México.
TolTEC ha sido diseñada y construida en los laboratorios de los institutos miembro e integrada y testada inicialmente en la UMass-Amherst. Los instrumentos de los telescopios profesionales son únicos en su tipo y se diseñan en universidades y centros de investigación. No se pueden adquirir en una tienda o en un centro de ingeniería ya que requieren saltos tecnológicos aún no probados en la industria y nuevas soluciones de investigación. La construcción de TolTEC está financiada principalmente por una dotación de 6.2 millones de dólares de la Fundación Nacional para la Ciencia de Estados Unidos, y una aportación de 3.2 millones de pesos del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México, para la articulación del equipo científico mexicano en la definición del programa de observaciones de legado.
El criostato de TolTEC —un gran baúl abovedado de 1.4 x 1 x 1 m— es capaz de mantener los detectores de la cámara a -273 grados Celsius, tan sólo 150 mili-Kelvin por encima del cero absoluto, y pesa alrededor de una tonelada. El instrumento completo ocupa un área de unos 6 x 1 metros en el salón de receptores, incluyendo el criostato, la electrónica de lectura y los refrigeradores y bombas necesarias para mantener los detectores fríos. Otras piezas necesarias, como compresores, se encuentran en otras salas del edificio GTM. Claramente es una cámara que no se puede mover del piso. La luz recogida por el telescopio es direccionada a la cámara a través de un sistema de espejos a temperatura ambiente y colada dentro del criostato a través de una ventana de 33 cm de diámetro. Los detectores que contiene registran radiación electromagnética (luz) de longitud de onda 1.1, 1.4 y 2.0 milímetros, unas 2000 veces menos energética que la que registra el ojo humano.
Antes de TolTEC operábamos la cámara AzTEC, que tenía 144 detectores de tecnología “termistores suspendidos en tela de araña”, típica de las cámaras de imagen en ondas milimétricas construidas en los años 90 del siglo pasado. TolTEC, por contraste, tiene 7716 detectores de nueva generación basada en “inductancia cinética de elementos agrupados”, lo que la hace unas 100 veces más rápida en realizar imagen que AzTEC.
Antes de que un nuevo instrumento entre en operación y se ofrezca a la comunidad astronómica, hay que optimizar la forma en que se realizan las observaciones y ajustar parámetros de los detectores. Tras depurar errores de instalación que no permitía bajar la temperatura de los detectores a 150 mK, temperatura nominal de operación, a finales de 2022 TolTEC tomó sus primeras imágenes de objetos celestes.
Uno de los primeros objetos que se observó fue la nebulosa del Cangrejo, un remanente de supernova muy brillante. Los remanentes son restos de una estrella masiva que explota al llegar al final de su vida, ya que no puede mantener más reacciones termonucleares en su interior y es demasiado pesada como para parar su implosión por presión de las partículas elementales. Sólo las estrellas más masivas que unas 8 veces la masa del Sol llegan a sintetizar hierro en su interior, y de la fusión del hierro no se puede extraer energía. Al no haber generación de radiación que contrarreste la gravedad de la estrella, las capas externas de la estrella se precipitan hacia su interior, mucho más caliente, y comienza la fusión violenta de los elementos más ligeros de las capas superiores, lo que provoca una explosión. En la explosión las capas externas de la estrella son expulsadas a gran velocidad, y con el tiempo se difuminan a grandes distancias hasta crear nebulosas de formas vistosas.
En el caso de la nebulosa del Cangrejo, los astrónomos chinos y árabes de la antigüedad registraron la explosión de su supernova en el año 1054. Ésta fue visible a simple vista durante el día por algunas semanas, y hasta por dos años por la noche. Casi 1000 años más tarde, sus restos forman una de las nebulosas más espectaculares y brillantes del cielo —de ahí que fuera la número 1 del catálogo de nebulosas levantado por el astrónomo francés Charles Messier entre 1766 y 1781, o M1, nombre técnico por el que se la conoce.
La imagen publicada por la colaboración TolTEC en sus redes sociales es la combinación de la luz registrada por los detectores sensibles a longitudes de onda de 1.1, 1.4 y 2.0 mm, de forma que la longitud de onda más larga se asocia al color rojo y la longitud de onda más corta se asocia al color azul. Es una representación visual de una parte del espectro electromagnético que nuestros ojos no pueden ver por sí mismos. Principalmente la radiación registrada está emitida por electrones libres en el remanente.
La imagen no tiene aún calidad científica porque quedan sistemas por ser afinados en el instrumento y la intensidad relativa entre los filtros y detectores aún tiene que ser verificada por observaciones suplementarias. Esa es una de las tareas en las que está ocupado el equipo TolTEC estos días. Tras un parón de operación en el GTM, estaremos este mes de vuelta con las pruebas de afinamiento para lograr calidad científica en los datos adquiridos. Además de objetos brillantes como M1, tenemos un programa para probar la cámara con objetos tenues.
El instrumento se ofrece de manera abierta a toda la comunidad científica de México y EUA en un concurso por méritos evaluados por pares. Además, el equipo científico ha comprometido cuatro censos panorámicos de legado de 100 horas de observación cada uno, en campos que la propia comunidad científica internacional definió como prioritarios: dos en áreas extragalácticas del cielo, para detectar galaxias lejanas, y otros dos en áreas galácticas del cielo para detectar los centros de formación de estrellas en la Vía Láctea. Sin duda, 2023 vendrá cargado de bellísimas imágenes producidas por este excitante nuevo instrumento astronómico.
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