El satélite Gaia tiene encomendada una tarea sin precedentes: analizar mil millones de estrellas en la Vía Láctea para crear el más completo mapa en tres dimensiones de nuestra galaxia. La misión, diseñada, construida y operada por la Agencia Espacial Europea (ESA), y en la que colabora la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED), tiene como principal objetivo investigar la composición, el origen y la evolución de la Vía Láctea. En su viaje de cinco años Gaia no sólo analizará el uno por ciento de los objetos celestes de nuestra galaxia, sino que también descubrirá planetas alrededor de otras estrellas, cometas, asteroides, objetos helados, cuásares, supernovas o enanas marrones, y proporcionará nuevas pruebas de las teorías cosmológicas y de la relatividad general. Para lograrlo, utilizará herramientas muy sofisticadas en cuyo desarrollo han participado empresas y científicos españoles.
Gaia, el satélite de la Agencia Espacial Europea (ESA) puesto en órbita el pasado mes de diciembre, se encuentra ahora mismo a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra poniendo en marcha su potente maquinaria para cumplir un objetivo histórico: cartografiar mil millones de estrellas. Para cumplir su ambiciosa misión, Gaia está dotada de dos potentes telescopios que le permiten ver objetos 400.000 veces más tenues que el límite visible por el ojo humano. Con una cámara digital de mil millones de píxeles –la más grande jamás construida para una misión espacial– y unos instrumentos de medida que alcanzan una precisión sin precedentes, es capaz de medir el diámetro de un cabello humano desde una distancia de 1.000 kilómetros.
En poco más de dos toneladas de peso, tres metros de altura y diez metros de diámetro, este observatorio espacial va a proporcionar nuevos conocimientos para que el universo, "ese grandísimo libro que está continuamente abierto delante de nuestros ojos", en palabras de Galileo, deje de ser un "oscuro laberinto". ¿Cómo lo va a conseguir?
La nave Gaia está compuesta por dos módulos: el de carga y el de servicio. En el módulo de carga se encuentran los instrumentos ópticos y toda la electrónica necesaria para gestionar su uso y realizar un primer procesamiento de los datos. Las funciones del módulo de servicio son proteger estructural y térmicamente la nave, controlar su posición, suministrar energía, gestionar los datos o establecer comunicaciones con la Tierra.
En poco más de dos toneladas de peso, tres metros de altura y diez metros de diámetro, este observatorio espacial va a proporcionar nuevos conocimientos para que el universo, "ese grandísimo libro que está continuamente abierto delante de nuestros ojos", en palabras de Galileo, deje de ser un "oscuro laberinto". ¿Cómo lo va a conseguir?
La nave Gaia está compuesta por dos módulos: el de carga y el de servicio. En el módulo de carga se encuentran los instrumentos ópticos y toda la electrónica necesaria para gestionar su uso y realizar un primer procesamiento de los datos. Las funciones del módulo de servicio son proteger estructural y térmicamente la nave, controlar su posición, suministrar energía, gestionar los datos o establecer comunicaciones con la Tierra.
El cuerpo de Gaia: el módulo de servicio
El módulo de servicio se encarga de ofrecer el soporte mecánico y eléctrico necesario para que la nave y los instrumentos científicos funcionen sin problemas.
Los dos sistemas de propulsión de Gaia se sitúan en este módulo. El sistema de micropropulsión, que utiliza nitrógeno a alta presión para proporcionar muy pequeños impulsos a la nave, se usa para ajustes finos de la inclinación y para la gestión de la velocidad de giro. La propulsión química, a su vez, posibilita las maniobras de inserción y mantenimiento en órbita y las correcciones grandes de la inclinación, y utiliza monometilhidracina como combustible que, al entrar en combustión con el tetraóxido de nitrógeno, genera los gases que producen el empuje necesario para impulsar la nave.
El módulo de servicio también engloba los sistemas de dirección y navegación. Para controlar la inclinación de la nave y su órbita, Gaia está dotada de tres sensores solares, basados en fotodiodos de silicio, y de tres giroscopios de fibra óptica, que evitan el uso de componentes móviles y reducen así al máximo las vibraciones para que los instrumentos de medida puedan funcionar con la precisión necesaria.
Desde los primeros momentos de su viaje (excepto en el despegue), el satélite lleva desplegado un parasol de diez metros de diámetro que, junto con la cubierta térmica, protege el módulo de carga de los rayos del Sol y lo mantiene a una temperatura casi constante de -110ºC. De no existir este aislamiento, las variaciones en la temperatura podrían provocar dilataciones y contracciones en los instrumentos científicos que, aun siendo mínimas, tendrían efectos muy negativos en la exactitud de las medidas y, en consecuencia, en la calidad de los datos obtenidos.
Para propulsarse, Gaia obtiene su energía de una serie de paneles solares de arseniuro de galio, unos de ellos fijos y otros unidos al parasol desplegable, que están siempre orientados hacia el Sol. Con una superficie total de 12,8 m2, proporcionan a la nave una potencia máxima de 1.910 vatios. Durante el despegue, y en los momentos en que la demanda de energía excede la suministrada por estos paneles, la nave recurre a una batería de ión de litio situada en el módulo de servicio.
El satélite cuenta con tres antenas de comunicación que transmiten en la banda X de las microondas. Dos de ellas son antenas de baja ganancia que envían y reciben datos para el mantenimiento de la nave, por lo que transmiten unos pocos kilobits por segundo. La tercera antena, de alta ganancia, es la encargada de enviar a la Tierra la enorme cantidad de datos que Gaia genera, y su transmisor puede llegar a una velocidad de 8,7 megabits por segundo.
Recoger esta señal desde una distancia de un millón y medio de kilómetros requiere el uso de las más potentes estaciones de seguimiento de la ESA: las antenas de 35 m de diámetro de Cebreros (Ávila) y Nueva Norcia (Australia). A medida que la nave gira, la señal se dirige hacia la estación de seguimiento en la Tierra que en ese momento esté visible desde la nave, lo que limita su funcionamiento a unas ocho horas al día.
El ordenador de a bordo de Gaia controla todas las funciones de la nave. En concreto, se encarga de gestionar la recepción y ejecución de las órdenes que recibe desde la Tierra, realiza operaciones de mantenimiento en la nave, lleva a cabo controles térmicos y de inclinación, y prepara los datos científicos obtenidos por los instrumentos de medida antes de transmitirlos a las antenas.
El módulo de servicio se encarga de ofrecer el soporte mecánico y eléctrico necesario para que la nave y los instrumentos científicos funcionen sin problemas.
Los dos sistemas de propulsión de Gaia se sitúan en este módulo. El sistema de micropropulsión, que utiliza nitrógeno a alta presión para proporcionar muy pequeños impulsos a la nave, se usa para ajustes finos de la inclinación y para la gestión de la velocidad de giro. La propulsión química, a su vez, posibilita las maniobras de inserción y mantenimiento en órbita y las correcciones grandes de la inclinación, y utiliza monometilhidracina como combustible que, al entrar en combustión con el tetraóxido de nitrógeno, genera los gases que producen el empuje necesario para impulsar la nave.
El módulo de servicio también engloba los sistemas de dirección y navegación. Para controlar la inclinación de la nave y su órbita, Gaia está dotada de tres sensores solares, basados en fotodiodos de silicio, y de tres giroscopios de fibra óptica, que evitan el uso de componentes móviles y reducen así al máximo las vibraciones para que los instrumentos de medida puedan funcionar con la precisión necesaria.
Desde los primeros momentos de su viaje (excepto en el despegue), el satélite lleva desplegado un parasol de diez metros de diámetro que, junto con la cubierta térmica, protege el módulo de carga de los rayos del Sol y lo mantiene a una temperatura casi constante de -110ºC. De no existir este aislamiento, las variaciones en la temperatura podrían provocar dilataciones y contracciones en los instrumentos científicos que, aun siendo mínimas, tendrían efectos muy negativos en la exactitud de las medidas y, en consecuencia, en la calidad de los datos obtenidos.
Para propulsarse, Gaia obtiene su energía de una serie de paneles solares de arseniuro de galio, unos de ellos fijos y otros unidos al parasol desplegable, que están siempre orientados hacia el Sol. Con una superficie total de 12,8 m2, proporcionan a la nave una potencia máxima de 1.910 vatios. Durante el despegue, y en los momentos en que la demanda de energía excede la suministrada por estos paneles, la nave recurre a una batería de ión de litio situada en el módulo de servicio.
El satélite cuenta con tres antenas de comunicación que transmiten en la banda X de las microondas. Dos de ellas son antenas de baja ganancia que envían y reciben datos para el mantenimiento de la nave, por lo que transmiten unos pocos kilobits por segundo. La tercera antena, de alta ganancia, es la encargada de enviar a la Tierra la enorme cantidad de datos que Gaia genera, y su transmisor puede llegar a una velocidad de 8,7 megabits por segundo.
Recoger esta señal desde una distancia de un millón y medio de kilómetros requiere el uso de las más potentes estaciones de seguimiento de la ESA: las antenas de 35 m de diámetro de Cebreros (Ávila) y Nueva Norcia (Australia). A medida que la nave gira, la señal se dirige hacia la estación de seguimiento en la Tierra que en ese momento esté visible desde la nave, lo que limita su funcionamiento a unas ocho horas al día.
El ordenador de a bordo de Gaia controla todas las funciones de la nave. En concreto, se encarga de gestionar la recepción y ejecución de las órdenes que recibe desde la Tierra, realiza operaciones de mantenimiento en la nave, lleva a cabo controles térmicos y de inclinación, y prepara los datos científicos obtenidos por los instrumentos de medida antes de transmitirlos a las antenas.
Los ojos de Gaia: el módulo de carga
En el módulo de carga se concentran los aparatos científicos que posibilitan la observación de los objetos celestes. Aunque Gaia lleva a bordo tres instrumentos de medida diferentes –un instrumento astrométrico, un fotómetro y un espectrómetro de velocidad radial–, los tres comparten los telescopios y el plano focal. "Gaia proporcionará un catálogo astrométrico, es decir, una catálogo de posiciones, distancias y movimientos de las estrellas", explica Xavier Luri, de la Universitat de Barcelona (ICCUB-IEEC) y responsable de las simulaciones de datos de la misión.
Tanto los dos telescopios como el plano focal están montados en un soporte toroidal, de unos tres metros de diámetro y de forma casi octogonal, que está fabricado en carburo de silicio, un material cerámico mecánica y térmicamente ultraestable.
En el módulo de carga se concentran los aparatos científicos que posibilitan la observación de los objetos celestes. Aunque Gaia lleva a bordo tres instrumentos de medida diferentes –un instrumento astrométrico, un fotómetro y un espectrómetro de velocidad radial–, los tres comparten los telescopios y el plano focal. "Gaia proporcionará un catálogo astrométrico, es decir, una catálogo de posiciones, distancias y movimientos de las estrellas", explica Xavier Luri, de la Universitat de Barcelona (ICCUB-IEEC) y responsable de las simulaciones de datos de la misión.
Tanto los dos telescopios como el plano focal están montados en un soporte toroidal, de unos tres metros de diámetro y de forma casi octogonal, que está fabricado en carburo de silicio, un material cerámico mecánica y térmicamente ultraestable.
Los dos telescopios utilizan diez espejos, también de carburo de silicio, para recoger, enfocar y dirigir la luz recibida hasta los detectores digitales. El funcionamiento de ambos es idéntico. La luz atraviesa una abertura en la cubierta térmica e incide en el espejo primario opuesto al punto por el que entró la luz. Después de ser reflejada por el espejo primario, la luz sigue rebotando en otros espejos hasta alcanzar una distancia focal de 35 metros, y finalmente llega al plano focal, donde se encuentran los detectores digitales.
El plano focal está formado por 106 dispositivos de carga acoplada (Charge-Coupled Devices o CCD) que se usan como detectores. Los CCD, organizados en 7 filas y 17 columnas, se agrupan en diferentes regiones, cada una de las cuales está dedicada a un instrumento de medida. De este modo, las imágenes recibidas por estos detectores digitales son registradas y enviadas a los distintos dispositivos.
El plano focal está formado por 106 dispositivos de carga acoplada (Charge-Coupled Devices o CCD) que se usan como detectores. Los CCD, organizados en 7 filas y 17 columnas, se agrupan en diferentes regiones, cada una de las cuales está dedicada a un instrumento de medida. De este modo, las imágenes recibidas por estos detectores digitales son registradas y enviadas a los distintos dispositivos.
El instrumento astrométrico mide posiciones angulares (paralaje y movimiento propio) para obtener la distancia a la que se encuentran los cuerpos celestes y su velocidad angular. El fotómetro utiliza dos prismas para descomponer la luz proveniente de los objetos detectados y obtener su espectro, lo que proporciona información sobre luminosidad, temperatura, masa, edad y composición química. El espectrómetro de velocidad radial se basa en el efecto Doppler sufrido por la luz que emiten las estrellas para determinar la velocidad a la que se alejan del satélite (corrimiento al rojo) o se acercan a él (corrimiento al azul).
Para conseguir la sincronización necesaria entre las observaciones y la posición de la nave, Gaia está equipada con dos relojes atómicos de rubidio, que proporcionan una precisión de diez nanosegundos (es decir, 0,00000001 segundos) en un período de seis horas.
El papel del sector aeroespacial español en el desarrollo del satélite ha sido fundamental, tanto en su vertiente industrial como científica; no en vano, las empresas españolas han logrado un 11,5% de los contratos de la misión. Por ejemplo, el parasol que protege la nave o los amplificadores de potencia de la antena que envía la información a la Tierra han sido fabricados en España.
Datos y más datos
Los 50 gigabytes de datos generados a diario por los instrumentos de Gaia serán procesados en la Tierra para traducirlos en parámetros físicos. El sistema de procesado de datos ha sido desarrollado, entre otros, por la Universidad de Barcelona, la Universidad de A Coruña, la Universidad de Cádiz, la Universidad Pablo de Olavide de Sevilla y la UNED.
El análisis de esta ingente cantidad de datos corre a cargo del Consorcio para el Procesado y Análisis de Datos (DPAC). El consorcio, formado por 440 miembros de veinte países, entre ellos España, se divide en nueve unidades de coordinación, cada una de ellas encargada de funciones muy diferentes, de manera que cada unidad de coordinación trabaja a partir de material aportado por las otras.
La información generada por la misión se irá plasmando en varios catálogos intermedios, accesibles para todos los científicos, que los usarán para investigar las características físicas de las estrellas y la distribución tridimensional de la Vía Láctea. El catálogo final, que contendrá un petabyte de información (equivalente a más de doscientos mil DVD), será puesto a disposición de la comunidad científica en 2021-2022. Como afirma Luis Sarro Baro, líder del grupo de científicos de la UNED que participan en el proyecto, “Gaia traerá grandes avances en la comprensión de la inmensidad que nos rodea”.
En el año 1609 Galileo logró construir, por primera vez, un telescopio con una lente de sesenta aumentos. Ese objeto "realmente admirable", que le proporcionó una visión del universo completamente desconocida hasta entonces, se convirtió en uno de los principales desencadenantes de la revolución científica. Hoy, más de cuatrocientos años después, quién sabe qué nueva revolución puede surgir gracias a los descubrimientos de Gaia.
Publicado en e-ciencia.