Imagem ilustrativa del Observatorio Espacial Herschel. El observatorio operó entre 2009 e 2013 observando en el infra-rojo. Fuente: Thales Group.
Desde el comienzo de la era espacial, los científicos han estado enviando telescopios al espacio. Incluso antes de la construcción de satélites espaciales, como la serie soviética Sputnik, existían sounding rockets, cohetes que alcanzan alturas superiores a los 10 km y que durante unos minutos pueden detectar emisiones del espacio exterior. El Sputnik 3, que voló en mayo de 1958, llevaba 12 instrumentos a bordo. Pero el Explorer 1, el primer satélite estadounidense, lanzado en enero de 1958, llevó instrumentación que permitió determinar la existencia de los cinturones de Van Allen alrededor de la Tierra y fue así el primer observatorio espacial. Hoy en día existe una constelación de satélites alrededor de la Tierra que observan emisiones en el espectro electromagnético desde las longitudes de onda más pequeñas hasta las más largas. Pero, ¿por qué en el espacio?
Espectro electro magnético (EM). Traducción del inglés. Long-waves=ondas largas; Microwaves=microondas; Far IR = infrarrojo extremo; Thermal IR=Infrarrojo térmico; Infra-red=Infrarrojo; Ultraviolet=Ultravioleta ; X-rays = Rayos-X; Gamma-Rays = Rayos-gama. Wavelength=Longitud de Onda; Frequency=Frecuencia.Fuente: Wikipedia
Para responder a la pregunta, primero tenemos que entender qué es la luz. La luz está formada por ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio, incluso en el vacío. Las ondas se caracterizan por una frecuencia, medida en hercios (Hz) y sus múltiplos (como kilohercios, kHz) y por una longitud de onda, medida en unidades métricas desde km a nanometros (abreviado nm). En la figura de arriba vemos el llamado espectro electromagnético (EM), la barra de color del rojo al azul es la región donde nuestros ojos son sensibles a las ondas EM: es lo que solemos llamar luz, o, en astronomía, la luz visible. Desde 1800, cuando el astrónomo germano-británico Wilhem Herschel, demostró la existencia del infrarrojo, los astrónomos y físicos saben que hay más luz de la que ven nuestros ojos. Las ondas de radio fueron las primeras en ser descubiertas y detectadas a mediados del siglo XIX. A finales del mismo siglo, Wilhem Röntgen descubrió los rayos X en el otro extremo del espectro EM (ver figura anterior). En el siglo XX se agregaron los rayos gama y ultravioleta, además de una subclasificación de la región radio (longitudes de onda superiores a 0,1 mm).
Representación de la opacidad atmosférica a la radiación electro-magnética. Traducción de los textos en inglés. «Gamma rays, X-rays and ultraviolet light blocked by the upper atmosphere (best observed from space)» = Rayos gama, rayos-X y ultravioleta son bloqueados en la atmósfera superior y son mejor observados desde el espacio. «Visible light, observable from Earth, with some atmospheric distortion» = Luz visible observable desde la superficie de la Tierra com un poco de distorción atmosférica.»Most of the infrared spectrum absorbed by atospheric gasses (best observed from space)» = La mayor parte doel espectro infrarrojo es absorbida por gases atmosféricos, mejor observar desde el espacio.»Radio waves observable from Earth« = Ondas de radio son observables desde la superficie terrestre.»Long wavelength radio waves blocked» = Ondas largas de rádio son bloqueadas. Fuente: NASA.
Sin embargo, para su uso en astronomía, no se pueden detectar todas las longitudes de onda en la superficie. La figura de arriba representa la opacidad atmosférica que los astrónomos también llaman de profundidad óptica. La región dorada es el porcentaje de radiación del exterior absorbida por la atmósfera. Por ejemplo, la luz visible atraviesa el aire casi sin obstáculos. Pero esto es más una excepción que una regla: desde los rayos gama hasta el azul, nada llega al suelo. En el infrarrojo hay mucha absorción por encima de 1 micrómetro (0,001 mm), hasta que se absorben completamente a partir de los 30 micrómetros (0,03 mm). Una ventana comienza a abrirse a partir de 0,1 mm y toda la región de microondas está libre de interferencias atmosféricas. Pero las ondas largas (> 20 m) son completamente reflejadas por la atmósfera superior (en la ionosfera) y nada del exterior nos llega. Además, algunas de las ventanas no son visibles desde cualquier lugar. Por ejemplo, las ondas menores a 1 mm de longitud deben observarse en lugares altos (por encima de los 3000 m) y secos.
Ahora está claro que para observar aquellas regiones del espectro EM donde la atmósfera es un obstáculo, no hay otra solución que colocar instrumentos en satélites, fuera de la atmósfera. Una excepción es el telescopio espacial Hubble, porque mira en la región visible. El porqué es que la atmósfera, además de absorber, distorsiona las imágenes. Colocar un telescopio en el exterior permite generar fotografías más nítidas.
Todavía queda una pregunta: ¿por qué mirar tantas longitudes de onda diferentes? La radiación EM es una sonda que nos permite conocer el estado de la materia donde se formó. La luz que nos llega de regiones lejanas son nuestros termómetros, barómetros y demás sensores que nos permiten entender lo que está pasando allí, en la estrella, en la galaxia, en el planeta, etc. Podemos determinar la densidad, temperatura, campo magnético del lugar, también la abundancia de las especies atómicas o moleculares. Pero cada región del espectro aporta un poco de información. Para armar el rompecabezas, necesitamos a todos. De hecho, tenemos que ir más allá de la radiación electromagnética: las ondas gravitatorias detectadas recientemente son una nueva fuente de información. Y también las partículas subatómicas que viajan inmensas distancias hasta llegar a la Tierra (los rayos cósmicos) son otra fuente de información. La astronomía entró en la era de los mensajeros múltiples.