Óptica adaptativa

Marcos Reyes / 11-11-2002

Mirar el cielo desde la Tierra es como mirar el exterior desde el fondo de una piscina llena de agua. La deformación y pérdida de definición que sufre la imagen observada a través del agua es similar al efecto que tiene la atmósfera terrestre sobre la luz que nos llega de los objetos del espacio.

La atmósfera es un medio turbulento que afecta a la luz que se propaga como una onda electromagnética a través de ella. Las variaciones -principalmente de temperatura y, en menor medida, de presión y humedad- producen cambios en el índice de refracción del aire. Estos cambios hacen que los rayos de luz no sigan un camino recto sino que se desvíen y que, por lo tanto, cada uno de ellos siga un camino óptico distinto. De esta forma, la turbulencia atmosférica deforma el frente de onda de la luz, alterando su fase y, a su vez, la distancia que recorre cada uno de los rayos hasta llegar a la apertura del telescopio.

La observación del cielo desde la Tierra siempre ha estado limitada por la atmósfera; como cada objeto se ve como una mancha, no se pueden distinguir objetos muy próximos unos a otros. Por ello, es insuficiente construir telescopios cada vez más grandes. Ni siquiera en los mejores observatorios del mundo, donde la calidad de la atmósfera es óptima, se podrían distinguir dos objetos separados 25 cm a una distancia de 100 km, lo cual supone una gran limitación a la hora de observar el universo lejano.

La construcción de telescopios espaciales obvia este problema. Por ejemplo, el Telescopio Espacial Hubble, con tan sólo 2 m de diámetro es capaz de conseguir imágenes con mayor resolución que los telescopios de 10 m instalados en la Tierra. Pero su alto coste de fabricación y la complejidad de su operación y mantenimiento (100 veces más que si estuviera instalado en tierra) conlleva que los telescopios espaciales sean proyectos poco viables.

La alternativa que queda es conocer el comportamiento de la atmósfera, medir su efecto sobre la luz que llega del espacio y compensarlo. Esta técnica se denomina óptica adaptativa. En la última década, muchos de los descubrimientos importantes en Astrofísica están asociados a grandes telescopios con este sistema. De hecho, sin esta técnica la calidad de las imágenes de los grandes telescopios actuales tipo 8 m no sería mejor que la de un telescopio de 1 m. No es el diseño ni la calidad de la óptica lo que limita la resolución espacial que se puede alcanzar con un telescopio, sino la turbulencia atmosférica, denominada también seeing.

El conocimiento de la turbulencia atmosférica requiere de diversas técnicas instrumentales que permiten medir el comportamiento de dicha turbulencia y su evolución espacial y temporal.

Para un sistema de óptica adaptativa, en primer lugar, se necesita un sensor de frente de onda. Este sensor será los ojos del sistema de óptica adaptativa, el encargado de ver la turbulencia atmosférica, de medir la distorsión de fase del frente de onda de la luz recibida. En segundo lugar, un espejo deformable. Este espejo hará las veces de manos del sistema de óptica adaptativa, adaptará su superficie para compensar la deformación del frente de onda que incide sobre él, dejando a su salida un frente de onda plano, un conjunto de rayos de luz donde han desaparecido los efectos de la atmósfera. Y, por último, el sistema de control será el cerebro del sistema de óptica adaptativa, que se encargará de procesar lo que ven los ojos (sensor de frente de onda), calcular cuánto se ha deformado el frente de onda de la luz y dar las instrucciones adecuadas a las manos (espejo deformable) para que se adapten al frente de onda y lo corrijan.

La luz que llega de objetos muy lejanos en el espacio es escasa, tienen muy poca intensidad y no es suficiente como para poder coger parte de esa luz y medir el efecto de la turbulencia sobre ella, y mucho menos en tiempo real. Por ello es necesario contar con una estrella brillante (denominada estrella de referencia o estrella guía) cercana al objeto (ya que la turbulencia atmosférica varía espacialmente y de nada sirve medir la distorsión del frente de onda en un punto e ir a aplicar la corrección en otro punto con una distorsión distinta) y lo suficientemente intensa como para poder hacer medidas de frente de onda en pocos milisegundos... Sin embargo, la probabilidad de encontrar en el cielo una estrella guía de estas características es baja; por tanto, la zona del cielo en la que podríamos utilizar un sistema de óptica adaptativa es restringida.

Para solucionar este problema, surgió la idea de crear estrellas guía artificial o estrellas guía láser. Un láser de alta potencia es transmitido desde un lugar cercano al telescopio de observación y dirigido a un punto cercano en el cielo al objeto que se está observando. Las partículas de la atmósfera (moléculas, polvo,...) dispersan la radiación recibida y la luz que devuelven es detectada por el sensor de frente de onda y utilizada para la medida de la distorsión producida por la atmósfera. La estrella guía láser más utilizada es la de sodio, que se genera por la dispersión de la luz del láser en moléculas de sodio situadas en la mesosfera terrestre, a unos 90 km de altura.

El último paso que se está dando en el ámbito de la óptica adaptativa se denomina óptica adaptativa multiconjugada, que trata de ampliar la porción de la imagen que puede ser corregida mediante el uso de más de un espejo deformable.

Adaptación del artículo Óptica Inteligente
Marcos Reyes
IAC Noticias 1-2002

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El autor

Marcos Reyes es Ingeniero de Telecomunicación por la Universidad Politécnica de Madrid y jefe del departamento de Proyectos del Área de Instrumentación del Instituto de Astrofísica de Canarias.

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