¿Deberíamos construir un interferómetro óptico en la Luna?

La atmósfera terrestre representa un obstáculo significativo para las observaciones astronómicas. No solo el clima nublado afecta la visibilidad, sino que las fluctuaciones de temperatura en la atmósfera obligan a los telescopios terrestres a utilizar sistemas de óptica adaptativa sofisticados para obtener imágenes claras. Por otro lado, los telescopios de radio no se ven afectados por las nubes, pero deben ser ubicados en lugares "silenciosos" desde el punto de vista radioeléctrico para funcionar de manera óptima.

La necesidad de superar estas limitaciones ha llevado a la creación de una flota de telescopios espaciales, que han avanzado nuestro entendimiento del cosmos de maneras profundas. Sin embargo, estos telescopios son costosos y complicados, y aquellos situados en el punto L1 están fuera del alcance de las misiones de mantenimiento.

Desde hace décadas, se ha discutido la posibilidad de construir telescopios en la Luna. Los telescopios lunares comparten muchos beneficios con los telescopios espaciales, superándolos en ciertos aspectos y siendo potencialmente más económicos y fáciles de mantener.

La Luna es un lugar natural para la observación, ya que carece de atmósfera que interfiera con las observaciones. Además, la cara oculta de la Luna es un excelente sitio para telescopios de radio, ya que está aislada del ruido radioeléctrico terrestre y es prácticamente silenciosa en ese sentido.

A medida que diferentes agencias espaciales y empresas privadas trabajan para establecer una presencia en la Luna, la idea de un telescopio lunar avanza de un sueño a una posible realidad práctica. El último estudio sobre un telescopio lunar proviene del Keck Institute for Space Studies (KISS) y se centra en un interferómetro óptico. Los interferómetros son herramientas poderosas que permiten que múltiples telescopios trabajen juntos como un único telescopio virtual.

Aunque los telescopios lunares presentan beneficios claros, también enfrentan desventajas. El nuevo informe examina no solo las ventajas, sino también los inconvenientes. Además, desmiente algunos obstáculos como problemas menores.

El informe titulado "Astronomical Optical Interferometry From The Lunar Surface" es el resultado de un taller de estudio realizado del 18 al 22 de noviembre de 2024. Los líderes del estudio provienen del Lowell Observatory, JPL y el California Institute of Technology. Los participantes incluyen a representantes de NASA, JAXA, Caltech, así como de múltiples universidades y empresas espaciales privadas. El trabajo se publicó en el servidor de preprints arXiv.

La interferometría es un método bien comprendido que ya ofrece resultados excepcionales. Sin embargo, el entorno lunar presenta sus propios desafíos. ¿Qué lo hace beneficioso? ¿Qué lo convierte en problemático?

Comenzando con la superficie lunar, esta está cubierta de regolito polvoriento y es inherentemente inestable. Las misiones Apollo demostraron cuán abrasivo y corrosivo puede ser el polvo lunar. El polvo lunar tiene bordes más afilados que el polvo terrestre y puede desgastar componentes importantes como los sellos. En el vacío lunar, las partículas de polvo pueden adherirse electrostáticamente a los equipos, siendo difícil de remover y acelerando el desgaste de las partes móviles.

Sin embargo, el informe señala que este problema es bien conocido y que se están desarrollando soluciones. "Se están desarrollando tecnologías para eliminar eficazmente el regolito de las superficies que pueden ser aplicables a varios diseños de interferometría", escriben los autores.

El informe menciona que la misión Firefly Blue Ghost Mission 1 llevó un Electrodynamic Dust Shield que eliminó efectivamente el polvo lunar de algunas superficies de la nave espacial. También se destaca que el módulo de aterrizaje Chang'e 3 de China operó un telescopio ultravioleta durante tres años sin problemas relacionados con el polvo lunar.

Las grandes oscilaciones de temperatura de la Luna de día a noche son otro impedimento. "Las grandes oscilaciones de temperatura pueden ser un desafío para la electrónica y la óptica que requieren estabilidad térmica para su operación y computación", afirma el informe. El regolito lunar, que es altamente aislante, podría ofrecer una solución. Los autores explican que algunos de los interferómetros lunares podrían ser enterrados en el regolito para evitar las grandes oscilaciones de temperatura. Sin embargo, esto también podría contribuir al sobrecalentamiento.

El informe sugiere que un sistema de refrigeración activa y pasiva podría ser adaptado a un sitio específico. Podría ser mejor construir un interferómetro en una región sombreada que permanezca fría y gestionar eso en lugar de intentar controlar oscilaciones de temperatura pronunciadas. Independientemente del sitio del telescopio, este tendría que ser construido para acomodar cierto grado de calentamiento, enfriamiento y expansión y contracción.

Las regiones permanentemente sombreadas de la Luna (PSR) son ubicaciones deseables porque tienen las menores fluctuaciones de temperatura. También son buenos lugares para telescopios infrarrojos, ya que necesitan mantenerse fríos. Sin embargo, las PSR son trampas frías que acumulan hielo de agua, y existen preocupaciones de que el hielo y la escarcha podrían afectar la función de un telescopio.

La superficie lunar es un entorno desafiante, y no se puede ignorar. Sin embargo, los desafíos no parecen insuperables, y es muy probable que existan soluciones tecnológicas para todos ellos. Todo se reduce a seleccionar un sitio que limite los desafíos mientras permite soluciones y el logro de objetivos científicos.

A pesar de los desafíos de construir y mantener un telescopio en la Luna, la idea resulta atractiva. Los resultados científicos valdrían la pena, según los autores.

Ellos explican que dos aspectos fundamentales del rendimiento del telescopio pueden mejorarse con un telescopio lunar. Un telescopio lunar tendrá una mejor resolución espacial en comparación con un sistema espacial de un solo apértura. También será más sensible que un interferómetro óptico terrestre. "La combinación de alta resolución espacial y alta sensibilidad abre áreas únicas de descubrimiento", escriben los autores.

Uno de los beneficios de construir un interferómetro óptico en la Luna se refiere a las aperturas. "Los telescopios probablemente tendrán aperturas mucho más pequeñas (de 10 a 50 veces) que las instalaciones terrestres debido a la falta de atmósfera en la Luna, lo que permite tiempos de integración coherente mucho más largos, sin restricciones por la turbulencia atmosférica", afirma el informe. "La falta de turbulencia atmosférica significa que pequeños telescopios lunares superan incluso a los telescopios terrestres más grandes."

Todos estos factores significan que preguntas que han desconcertado a astrónomos y astrofísicos pueden finalmente ser respondidas.

Una de ellas se refiere al 'problema del último parsec' en las fusiones de agujeros negros. Los astrofísicos comprenden las fuerzas que hacen que los agujeros negros supermasivos se acerquen entre sí, pero no entienden cómo finalmente se fusionan. Con su mejor rendimiento, un interferómetro óptico lunar podría ser capaz de observar las regiones internas de una galaxia y encontrar una respuesta.

Otra pregunta se refiere a la formación de planetas. "Dada la ubicuidad de los exoplanetas, la formación de planetas debe ser un proceso altamente eficiente, pero las teorías que describen la formación y evolución de planetas a partir de discos protoplanetarios alrededor de estrellas en pre-secuencia principal han sido mal restringidas debido a la falta de sensibilidad y resolución a las escalas de formación de planetas", afirma el informe. Comprender cómo se forman los planetas habitables es un gran objetivo en astronomía, y un interferómetro óptico lunar podría ayudar.

Un interferómetro lunar también podría ayudar a estudiar las superficies de enanas marrones, la física de las explosiones estelares, la escala de distancia extragaláctica, y, por supuesto, contribuir al estudio de nuestro propio sistema solar. También puede ayudar con la astrometría y "sería una capacidad transformadora en la búsqueda de exoplanetas verdaderamente análogos a la Tierra", explican los autores, al mejorar las mediciones de velocidad radial.

Un interferómetro óptico en la superficie de la Luna ayudará al Habitable Worlds Observatory a realizar su trabajo. "La precisión de astrometría de medición única a nivel de 0.1µas, habilitada por baselines interferométricos lunares de más de 100 m, guiaría las observaciones del HWO y proporcionaría masas para recuperaciones atmosféricas a partir de los espectros del HWO", afirma el informe.

Los astrónomos saben que la interferometría óptica funciona. El Very Large Telescope Interferometer (VLTI) y el Center for High Angular Resolution Astronomy (CHARA) han demostrado esto de manera inequívoca. La pregunta es, ¿se puede hacer en la Luna?

En la conclusión de su informe, los investigadores señalan que ya se han alcanzado algunos hitos. Hay cada vez más oportunidades para vuelos a la Luna, ya que tanto las agencias gubernamentales como las entidades privadas aumentan sus actividades. Ya sabemos que la interferometría óptica puede funcionar. También sabemos que las condiciones lunares, incluido el polvo omnipresente, pueden ser manejadas, como lo demostró el módulo de aterrizaje Chang'e 3 y su telescopio. Por lo tanto, no estamos comenzando desde cero.

Entonces, ¿qué estamos esperando?