Un nuevo mapa celeste, basado en los cuásares, ofrece las direcciones para el GPS

Concepción artística de un cuasar (zona brillante con rayos) incrustado en el centro de una galaxia. Crédito: NASA / JPL-Caltech / T. Pyle (SSC)

Muchos de nosotros hemos sido rescatados de un territorio desconocido por las direcciones de un navegador basado en el Sistema de Posicionamiento Global (GPS). Los satélites GPS envían señales a un receptor en su navegador GPS, que calcula su posición basada en la ubicación de los satélites y su distancia a ellos. La distancia se determina por el tiempo que les tomó a las señales de varios de los satélites llegar a su receptor. El sistema funciona bien, y millones de personas pueden confiar en el todos los días. Pero, en primer lugar ¿que es lo que le dice a los satélites GPS donde están ellos?

"Para que el GPS trabaje como lo hace, la posición orbital, o efemérides de los satélites, se tiene que conocer con altísima precisión", dice la Dra. Chopo Ma, del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, en Greenbelt, Maryland. "Para saber dónde están ubicados los satélites, usted tiene que conocer la orientación de la Tierra de manera muy precisa."

Esto no es tan evidente como simplemente mirar a la Tierra; el espacio no está convenientemente marcado con líneas ideales para determinar la posición de nuestro planeta. Peor aún, "todo está siempre en movimiento", dice Ma. La Tierra se bambolea mientras rota debido a la atracción gravitatoria (mareas) de la luna y el sol (entre otros movimientos estan los dos más notorios: precesión de los equinoccios y nutación). Incluso las cosas aparentemente menores, como los cambios en el aire y las corrientes oceánicas y los movimientos en el núcleo fundido de la Tierra influyen en la orientación de nuestro planeta.

Así como usted puede usar puntos de referencia para encontrar su lugar en una ciudad extraña, los astrónomos utilizan las señales de referencia en el espacio para determinar la posición de la Tierra. Las estrellas parecen el candidato idóneo, y así fueron utilizadas con éxito en toda la historia de la navegación en la Tierra. "Sin embargo, para las mediciones de extraordinaria precisión necesaria para cosas como el GPS, las estrellas no son útiles, porque se mueven demasiado (está por ejemplo el llamado movimiento propio de la estrella)", dice Ma.

Lo que se necesita son objetos tan remotos que su movimiento no sea detectable al punto de no producir errores inadmisibles desde el punto de vista práctico. Sólo un par de tipo de objetos se ajusta al proyecto, ya que también deben ser suficientemente brillantes para ser vistos a través de distancias increíbles. Se pueden utilizar cosas como los cuásares, que suelen ser más brillantes que mil millones de soles. Muchos científicos creen que estos objetos son impulsados por un gigantesco agujero negro que se alimenta del gas cercano. El gas atrapado en la poderosa gravedad del agujero negro se comprime y se calienta a millones de grados, emitiendo una luz intensa y/o energía de radio.

La mayoría de los cuásares se esconden en los confines del cosmos, a más de mil millones de años luz de distancia, y por lo tanto bastante lejos para parecer estacionarios desde nuestro punto de vista. En comparación, un año luz, la distancia que la luz recorre en un año, es de casi diez billones de kilómetros (10¹³ km). Nuestra galaxia entera, compuesta de cientos de miles de millones de estrellas, es de unos 100.000 años luz de diámetro, y la galaxia de Andrómeda, nuestra "vecina", está ubicada a unos 2.500.000 años luz.

Una colección de los cuásares a distancia, cuyas posiciones en el cielo se conoce con precisión, forma un mapa de puntos de referencia celeste en el que es posible orientar satisfactoriamente la Tierra. El primer mapa de esa clase, llamado el Marco Internacional de Referencia Celeste (ICRF), se completó en 1995. Se hizo en más de cuatro años mediante el análisis minucioso de las observaciones sobre las posiciones de unos 600 objetos.

Un mapa del cielo de las 295 fuentes definidas del ICRF2. La línea punteada representa la eclíptica (trayectoria aparente del sol en en el espacio, intersección del plano de la órbita terrestre con la esfera celeste) y la línea contínua es el plano galáctico. Crédito: Dave Boboltz / USNO

La Dra.Ma dirigió un esfuerzo conjunto de tres años para actualizar y mejorar la precisión de la hoja de ICRF por científicos afiliados a la International Very Long Baseline Interferometry Service for Geodesy and Astrometry (IVS) y la Unión Astronómica Internacional (UAI). Llamado ICRF2, esta segunda versión utiliza aproximadamente 3.000 observaciones de los cuásares. Fue reconocido oficialmente como el sistema de referencia fundamental para la astronomía por la IAU en agosto de 2009.

Hacer ese mapa no es para nada fácil. A pesar de la brillantez de los cuásares, su distancia extrema los hace demasiado débiles para ser localizados con precisión mediante un telescopio convencional que utiliza la luz óptica (la luz visible). En su lugar, se utiliza una red especial de radio telescopios, denominada Very Long Baseline Interferometer (VLBI).

Cuanto mayor sea el telescopio, mejor será su capacidad de ver detalles finos, denominada resolución espacial. Una red VLBI coordina sus observaciones para obtener el poder de resolución de un telescopio tan grande como el tamaño de la red. Las redes de VLBI se han extendido por continentes e incluso por hemisferios enteros, dando el poder de resolución de un telescopio global de miles de kilómetros de diámetro. Para el ICRF2, el análisis de las observaciones VLBI reducen incertidumbres en la posición de los ángulos a valores tan pequeños como 40 microsegundos de arco (un segundo de arco es 1/3600 de grado sexagesimal), aproximadamente el grosor de una mina de un portaminas de 0,7 milímetros ubicado en Los Ángeles cuando se lo ve desde Washington. Esta incertidumbre mínima es de alrededor de cinco veces mejor que la proporcionada por e anterior ICRF, según Ma.

Un radiotelescopio en el Observatorio del Parque Geofísico Kokee, de la estación VLBI de la NASA en Hawai, uno de los sitios más activos en la red VLBI geodésica y astrométrica mundial. Crédito: Marina de EE.UU./PMRF.

Estas redes se organizan sobre una base anual, como estaciones de radio telescopio individual que dedican tiempo para hacer observaciones coordinadas. La gestión de todas estas observaciones coordinadas es un esfuerzo importante a cargo del IVS, de acuerdo con Ma.

Además, como es previsible, la precisión exquisita de las redes de VLBI las hace sensibles a muchos tipos de disturbios, llamado ruido. Las diferencias en la presión atmosférica y en la humedad, causadas por los sistemas meteorológicos, la flexión de la corteza, debido a las mareas de la Tierra, y el cambio de ubicación de la antena en la tectónica de placas y los terremotos afectan las mediciones de VLBI. "Un desafío significativo era el modelado de todos estos trastornos en las computadoras para tenerlos en cuenta y reducir el ruido, o la incertidumbre, en la posición de las observaciones", dijo Ma.

Otra fuente importante de ruido se relaciona con cambios en la estructura de los cuásares mismos, que pueden ser vistos por la extraordinaria resolución de las redes de VLBI, según Ma.

Los mapas ICRF no sólo son útiles para la navegación en la Tierra, sino que también nos ayudan a encontrar nuestro camino en el espacio: la red ICRF y algunos de los objetos mismos se utilizan en la navegación de naves espaciales para las misiones interplanetarias, según Ma.

A pesar de su utilidad para cosas como el GPS, la principal aplicación para los mapas del ICRF es la astronomía. Los investigadores utilizan los mapas ICRF como direcciones de manejo para los telescopios. Los objetos son referenciados con coordenadas derivadas de ICRF de modo que los astrónomos saben dónde se encuentran en el cielo.

Además, la luz óptica visible a nuestros ojos es sólo una pequeña parte, relativamente insignificante, de las radiaciones electromagnéticas producidas por los objetos celestes, que va de la región espectral de menos energía, la radiación de baja frecuencia, como las ondas de radio y las microondas, pasando por la luz visible hasta la alta energía de la radiación de alta frecuencia, como los rayos X y rayos gamma.

Los astrónomos utilizan detectores especiales para realizar imágenes de los objetos que producen radiaciones que nuestros ojos no pueden ver. Aún así, puesto que las cosas en el espacio pueden tener temperaturas muy diferentes, los objetos que generan radiación en una banda de frecuencia, por ejemplo en la óptica, no necesariamente producen radiación en otra, por ejemplo la de radio. El principal uso científico de los mapas ICRF es una rejilla exacta para combinar las observaciones de objetos tomados usando frecuencias diferentes y con exactitud, localizándolos el uno en relación con el otro en el cielo.

Los astrónomos también utilizan el marco como telón de fondo para registrar el movimiento de los objetos celestes más cercanos a nosotros. El seguimiento de cómo las estrellas y otros objetos se mueven proporciona pistas importantes sobre su origen y evolución.

La próxima actualización del ICRF se puede hacer en el espacio. La Agencia Espacial Europea (ESA) planea lanzar un satélite llamado Gaia, en 2012, que observará alrededor de medio millón de cuásares. Gaia utiliza un telescopio óptico, pero esto es porque está por encima de la atmósfera, entonces el satélite será capaz de ver claramente objetos débiles como son los cuásares y localizarlos con precisión en el cielo. La misión utilizará cuásares que son ópticamente muy brillantes, muchos de los cuales son demasiado tenues en radio para ser útiles para las redes de VLBI. El proyecto espera contar con suficientes observaciones entre 2018 y 2020 para producir el ICRF de próxima generación.

El ICRF2 involucra investigadores de Australia, Austria, China, Francia, Alemania, Italia, Rusia, Ucrania y los Estados Unidos, y fue financiado por las organizaciones de estos países, incluyendo la NASA. El análisis de los esfuerzos está coordinado por el IVS. La UAI oficialmente adopta los mapas de ICRF y recomienda sus actualizaciones ocasionales.

Traducción libre de:
New Celestial Map Gives Directions for GPS. Por Bill Steigerwald , NASA Goddard Space Flight Center.