Utilizan un “peine de frecuencia láser” para medir el Universo en expansión

"Todo apunta a que avanzamos hacia uno de los sueños de los astrónomos," ha afirmado Theodor Hänsch, miembro del equipo y director del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) en Alemania. Hänsch, junto con John Hall, obtuvo el Premio Nobel de Física en 2005 por sus trabajos, entre los que estaba la técnica del peine de frecuencias.

Los astrónomos utilizan instrumentos denominados espectrógrafos para dispersar la luz de los objetos celestes en los colores que la componen, o frecuencias, del mismo modo que las gotas de lluvia crean un arco iris a partir de la luz solar. De este modo pueden medir la velocidad de las estrellas, las galaxias y los quasars, buscar planetas en la órbita de otras estrellas, o estudiar la expansión del Universo. Un espectrógrafo debe calibrarse con gran precisión, de modo que puedan medirse correctamente las frecuencias de la luz. Esto es similar a la necesidad de usar reglas precisas para medir la longitud correctamente. En este caso, el láser proporciona algo similar a una regla, para medir colores en lugar de distancias, con una escala extremadamente precisa y fina.

En los experimentos previstos para el futuro con el Telescopio Europeo Extremadamente Grande (E-ELT), que está siendo diseñado por el ESO (Observatorio Europeo Austral), se necesitarán nuevos espectrógrafos enormemente precisos. Esos nuevos espectrógrafos deberán calibrarse con "reglas" todavía más precisas. De hecho, deben tener una precisión de una parte entre 30.000 millones, una hazaña equivalente a medir la circunferencia terrestre con una precisión aproximada de un milímetro.

"Necesitaremos algo que está más allá de lo que puede ofrecer la tecnología actual, y es ahí donde entra en juego la tecnología de peine de frecuencias láser. Conviene hacer notar que el nivel de precisión necesario, 1 cm/s, corresponde, en el plano focal de un espectrógrafo de alta resolución ordinario, a un cambio de unas pocas décimas de nanómetro, es decir, el tamaño de algunas moléculas", ha explicado la alumna de doctorado y miembro del equipo Constanza Araujo-Hauck, del ESO.

La nueva técnica de calibración procede de la combinación de la astronomía y la óptica cuántica, en un proyecto de colaboración entre investigadores del ESO y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica. Utiliza pulsos ultra-cortos de luz láser para crear un "peine de frecuencias" –luz en numerosas frecuencias, separada un intervalo constante– para crear exactamente el tipo de "regla" de precisión necesaria para calibrar un espectrógrafo.

Tras una serie de pruebas realizadas con éxito en el laboratorio MPQ en 2007, el 8 de marzo de 2008 el equipo probó con éxito el prototipo de un dispositivo que utiliza peine de frecuencias en el telescopio solar VTT (Telescopio de Torre al Vacío) de Tenerife, midiendo el espectro del sol en la banda de luz infrarroja. Los primeros resultados son impresionantes y la técnica tiene potencial para obtener la precisión necesaria para estudiar los grandes interrogantes astronómicos antes mencionados.

"En las pruebas que hemos realizado en Tenerife ya hemos obtenido una precisión que supera el estado de la tecnología actual. Ahora nos disponemos a aumentar la versatilidad del sistema y desarrollarlo más todavía", ha afirmado Tilo Steinmetz, miembro del equipo de Menlo Systems GmbH, una empresa escindida de Instituto Max Planck, que se constituyó para comercializar la técnica de peine de frecuencias.

Después de probar la técnica en un telescopio solar, se está construyendo una nueva versión del sistema para el instrumento HARPS de detección de planetas del telescopio de 3,6 metros del ESO ubicado en La Silla (Chile), antes de su consideración para futuras generaciones de instrumentos.

Uno de los ambiciosos proyectos que se desarrollarán con el E-ELT, denominado CODEX, tiene por objeto medir directamente la aceleración del universo descubierta recientemente, siguiendo las velocidades de galaxias y quasars lejanas a lo largo de un periodo de 20 años. Ello permitiría a los astrónomos demostrar la teoría de la relatividad general del Einstein, y la naturaleza de la misteriosa energía oscura recientemente descubierta.

"Debemos medir el movimiento de esas galaxias con una precisión de unos centímetros por segundo, y realizar un seguimiento de esas medidas durante décadas. Esas velocidades son sólo algo más rápidas que las de un caracol, y el peine de frecuencias láser es absolutamente esencial para ello", ha declarado Antonio Manescau, miembro del equipo del ESO.

Los astrónomos también emplean los espectrógrafos para cazar planetas que giran en torno a otras estrellas, observando los sutiles movimientos de la estrella cuando el planeta orbita en torno a ella. Para poder detectar esos planetas, con la tecnología actual, deben ser relativamente masivos o estar relativamente próximos a la estrella en comparación con la Tierra. Un espectrógrafo más preciso permitirá a los astrónomos encontrar planetas con características similares a las de la Tierra.
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Referencia bibliográfica:

T. Steinmetz et al. "Laser frequency combs for astronomical observations (peines de frecuencias láser para observaciones astronómicas) Science, 5 de septiembre 2008