SKA. El telescopio más grande jamás construido

El telescopio espacial Hubble acaba de cumplir veinticinco años en órbita fotografiando el universo, la estación espacial internacional lleva casi dos décadas habitada y el gran colisionador de hadrones hace ya más de dos años que encontró un bosón de Higgs. ¿Cual será el siguiente gran proyecto científico cuyos resultados sean tan espectaculares como para incorporarse a la cultura popular? Es bastante probable que el candidato principal sea el proyecto SKA.

¿Qué es SKA?

El Square Kilometer Array o SKA es un proyecto internacional cuyo objetivo es construir el telescopio más grande del mundo: un radiotelescopio que tendrá un área colectora de un kilómetro cuadrado, es decir, un millón de metros cuadrados. Es imposible crear una antena con dicha área, y por tanto SKA será, como su nombre indica, un array de antenas, lo que quiere decir que estará compuesto por múltiples antenas separadas cuyas señales se unifican mediante software para obtener una única señal o imagen de mayor resolución utilizando una técnica conocida como interferometría. Una vez construido, SKA será el instrumento científico más grande del planeta.

¿Cómo es SKA?

Fig. 1: Diseño de las anténas de disco de SKA.

Fig. 1: Diseño de las anténas de disco de SKA.

SKA estará formado por un gran número de antenas repartidas entre Sudáfrica y Australia. Estas antenas serán de dos tipos: por un lado antenas de disco, la imagen que más comúnmente asociamos a un radiotelescopio; y por otro lado antenas no móviles que forman lo que se conoce como arrays de apertura.

Estas antenas de un diseño más sencillo tienen ciertas ventajas. En un radiotelescopio tradicional la señal rebota en el disco y se captura después en el foco, pero los arrays de apertura están diseñados para capturar la señal cuando llega por primera vez al receptor situado en el suelo. Este diseño sin partes móviles es fundamental para generar antenas eficientes y de bajo coste que sean fáciles de mantener.

Una vez situadas correctamente miles de estas antenas, qué partes de cielo observar o incluso observar varias zonas de cielo a la vez se consigue introduciendo retrasos específicos en cada antena para alinear las fases de las señales que llegan desde la dirección escogida. Estos arrays requieren por tanto de mucha capacidad de cálculo y su construcción supone tal reto tecnológico en cuanto a métodos de computación que va a requerir grandes avances en este campo. SKA usará dos diseños distintos de arrays de apertura, para capturar rangos de baja y media frecuencia.

Fig. 2: Diseño de un array de antenas de baja frecuencia de SKA.

Fig. 2: Diseño de un array de antenas de baja frecuencia de SKA.

El número de antenas que compondrán SKA es el primero de los datos que asombran. La construcción se va a llevar a cabo en dos fases, llamadas SKA1 y SKA2. Este año se ha aprobado el plan de construcción de la primera fase, con la que se espera empezar a realizar observaciones en 2020, y que pondrá en marcha sólo una pequeña porción de lo que será SKA cuando esté acabado. Y aún así SKA1 pondrá en funcionamiento dos instrumentos: por un lado SKA1-mid que observara en frecuencias de hasta 14 GHz y que estará formado por unos doscientos telescopios de disco de 15 metros de diámetro.

Por otro lado, para escuchar en baja frecuencia (de 50 a 350 MHz) el instrumento SKA1-low tendrá cerca de 130.000 antenas. Más que triplicando los mayores arrays de ambos tipos que existen hoy en día. Eventualmente, terminada la segunda fase de construcción el número aumentará a miles de discos y hasta un millón de antenas de arrays de apertura. Se espera conseguir una resolución cincuenta veces mayor que la del telescopio espacial Hubble, y una capacidad de barrido cientos de veces más rápida que la de los radio-interferómetros actuales.

Usos

Tener antenas separadas grandes distancias hace que los arrays puedan simular un disco virtual del tamaño de dicha distancia lo que permite una mayor resolución, es decir posibilita ver detalles más pequeños del cielo. SKA tendrá antenas distribuidas en distintos continentes y su resolución será algo nunca logrado antes. También su sensibilidad (la capacidad de recibir señales muy débiles), algo que depende del área colectora, estará por encima de cualquier instrumento actual. Gracias a esas mayorer sensibilidad y campo de visión SKA será capaz de escanear el cielo mucho más rápido.

Con SKA conseguiremos recibir video en alta definición en directo de una sonda aterrizando en Marte

La comunidad científica espera que este salto adelante en cuanto a resolución, sensibilidad y en cuanto al rango de frecuencias observados permita importantes avances en astrofísica y astrobiología. Los lugares seleccionados para albergar las antenas (la región de Karoo en Sudáfrica y la región de Murchison en Australia Occidental) son algunas de las zonas más remotas y deshabitadas del planeta, y han sido elegidas por razones científicas y técnicas, desde la calidad atmosférica de estos desiertos hasta su baja contaminación radioelectromagnética. Eso permite a SKA tener un ratio señal/ruido muy alto y hace posible detectar señales muy débiles.

Con SKA1-low, el instrumento de baja frecuencia se espera poder estudiar el universo temprano, y recibir señales de los primeros millones de años de vida del universo, cuando las primeras estrellas y galaxias se formaron hace mas de 13.000 millones de años. A la vez, SKA1-mid, el array de antenas de disco estudiará las ondas gravitacionales predichas por Einstein y podrá buscar señales de vida en la galaxia (SKA será tan sensible que podría detectar la señal de un radar de aeropuerto que estuviera situado en un planeta a diez años luz de distancia).

Aunque su principal función será científica, el SKA, al igual que se hace hoy en día puntualmente con ciertos radiotelescopios puede servir de apoyo a misiones de exploración y al seguimiento de sondas dentro del sistema solar. En este tipo de sondas, como la reciente Rosetta por ejemplo, enviar una señal más potente es algo muy caro en cuanto a batería y antenas, y a veces es simplemente inviable. Sin embargo, con SKA y su capacidad de recibir más señal y señales más débiles, las sondas podrían enviar con una señal igual de debil mucha más información.

Las fotos de Philae descendiendo hacia el cometa 67P fueron un gran logro. Con SKA conseguiremos recibir video en alta definición en directo de una sonda aterrizando en Marte.

Los desafios de SKA

Fig.3: Impresión artística de una zona de SKA en funcionamiento.

Fig.3: Impresión artística de una zona de SKA en funcionamiento.

La red de sensores a escala continental que es el proyecto SKA presenta un desafío inmenso en varios campos científicos, tecnológicos e industriales. Solo SKA1-low va a generar 160 terabytes de datos por segundo, lo que equivale a cinco veces el tráfico global de todo internet en 2015. Para ser capaz de procesar tal cantidad de datos hacen falta avances en computación para conseguir una eficiencia que hoy en día no existe todavía.

Otro gran reto es el de construir miles de antenas de diferentes tipo y con tecnologías muy diferentes para cubrir un gran rango de frecuencias y que sean capaces de funcionar de manera óptima en las duras condiciones de las áreas remotas en las que serán instaladas. Conectar y sincronizar todas las antenas será también una tarea dificil, solo la fibra necesaria para que las antenas funcionen conjuntamente daría la vuelta a la tierra dos veces.

Además, el proyecto SKA tiene la voluntad de funcionar con energía renovables durante las 24 horas del día. Este objetivo requiere generar mucha energía y el ser capaces de distribuirla a lugares muy remotos, y para conseguirlo habrá que lograr muchas mejoras en la industria de la energía. Precisamente España es una de las potencias mundiales en el desarrollo de tecnología aplicada a las energías renovables y es uno de los paises que puede liderar este apartado del proyecto SKA.

¿Y España qué?

Actualmente el proyecto SKA está impulsado por una organización internacional en la que España no ha entrado como país miembro. Al menos todavía. La organización SKA incluye de momento a 11 países miembros, pero en el diseño del telescopio han participado en los últimos años 100 instituciones y empresas de 20 paises, entre ellas un buen número de centros de investigación españoles.

España puede aportar conocimiento y experiencia en algunos de los campos más importantes para el desarrollo de SKA, entre ellos astrofísica fundamental y astrobiología, que cuentan en nuestro país con grandes centros y grupos de trabajo relevantes. Además puede contribuir tecnológicamente en áreas como la construcción de antenas, en donde hay una gran experiencia participando en proyectos similares como ALMA, en receptores con gran ancho de banda y por supuesto en energías renovables.

Fig. 4: Mapa de paises participantes en ls Organización SKA.

Fig. 4: Mapa de paises participantes en ls Organización SKA.

Aunque España no es país miembro de la organización de SKA, este es un objetivo por el que habría que luchar con fuerza. Sería una falta de visión quedarnos fuera de un proyecto de tal magnitud y en el que se puede aportar tanto. Entrar a formar parte de la organización como miembro de pleno derecho y dar apoyo a SKA es la manera de optimizar y rentabilizar al máximo el retorno científico y tecnológico que sin duda va a generar.

Por suerte hay muchos grupos empujando en esta dirección, entre ellos hay que destacar los esfuerzos del Instituto de Astrofísica de Andalucía (CSIC), organizadores del Spanish SKA Day. Esperemos que tengan éxito.

En una sociedad hipermediatizada la ciencia apenas tiene hueco en el imaginario colectivo si no se presenta como espectacular, revolucionaria o ultrapeligrosa. Solo grandes proyectos que puedan generar historias como “el colisionador de hadrones que puede crear agujeros negros”, o “la nave que aterriza por primera vez en la historia en un cometa después de diez años de viaje” acaparan minutos en los informativos y captan la atención del ciudadano medio.

Así que, aunque la ciencia pequeña, constante y rutinaria es la que sostiene los avances continuos de nuestra sociedad moderna, son probablemente estos macroproyectos los que se encargan de mantener vivo el asombro ante nuestra capacidad científica y la inspiración para futuras generaciones. SKA será un paso adelante en esta larga tradición de maravillas.

***

Créditos de todas las fotos: The Square Kilometer Array Organization.

Gracias a Mathieu Isidro de SKA y a Lourdes Verdes-Montenegro del IAA por la ayuda para elaborar el artículo.

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