Cartografiar el cielo | La Carte du Ciel proporcionó señales sobre cómo se harían los futuros descubrimientos astronómicos.
Recientemente, la Agencia Espacial Europea ha publicado la tercera entrega de datos del satélite Gaia, un catálogo público que proporciona las posiciones y velocidades de más de mil millones de estrellas. Se trata del intento más reciente de responder a algunas de las preguntas más antiguas de la astronomía: ¿Cómo se distribuyen las estrellas (y las nebulosas) por el cielo? ¿Cuántas hay, a qué distancia están y qué brillo tienen? ¿Cambian de posición o de brillo? ¿Existen nuevas clases de objetos desconocidos para la ciencia?
Durante siglos, los astrónomos han intentado responder a estas preguntas, y ese trabajo ha sido laborioso y ha requerido mucho tiempo. No siempre ha sido fácil registrar lo que se podía ver en la lente del telescopio, si es que se tenía la suerte de tener un telescopio.
Ahora imagina la aparición de una nueva técnica que, para su época, ofrecía algunas de las ventajas de la tecnología que permitió los catálogos de Gaia. Podía registrar de forma automática e imparcial lo que se veía, y cualquiera podía utilizarla.
Esa técnica era la fotografía
Este artículo cuenta la historia de cómo la fotografía cambió la astronomía y cómo cientos de astrónomos formaron la primera colaboración científica internacional para crear la Carte du Ciel (literalmente, «Mapa del Cielo»), un estudio fotográfico completo del cielo. Esa colaboración dio lugar a una lucha de un siglo para procesar miles de placas fotográficas tomadas durante décadas, con las posiciones de millones de estrellas medidas a mano para hacer el mayor catálogo del cielo nocturno.
Desgraciadamente, el proyecto de la Carte du Ciel llegó en un momento en el que nuestra capacidad para recoger mediciones del mundo natural no se correspondía con nuestra capacidad para analizarlas. Y mientras el proyecto estaba en marcha, nuevos instrumentos hicieron posible el estudio de los procesos físicos en objetos celestes lejanos, tentando a los científicos a abandonar la encuesta al ofrecer la oportunidad de crear nuevos modelos para explicar el mundo.
Para los astrónomos que trabajaban en la Carte du Ciel, aún no existía ningún modelo que pudiera abstraer las posiciones de millones de estrellas en una teoría de cómo evolucionó nuestra galaxia; los investigadores, en cambio, sólo tenían la intuición de que las técnicas fotográficas podrían ser útiles para cartografiar el mundo. Tenían razón, pero su intuición tardó casi un siglo y toda la carrera de muchos astrónomos en dar sus frutos.
Fotografía y astronomía
Fue el astrónomo y explorador François Arago, presidente del Observatorio de París, quien dio a conocer al mundo las técnicas fotográficas de Louis Daguerre. Daguerre, basándose en los trabajos de Nicéphore Niépce, descubrió cómo hacer imágenes permanentes en placas de metal.
Durante siglos, los astrónomos se habían esforzado por registrar lo que veían en el cielo nocturno con notas y bocetos dibujados a mano. Al mirar a través de la óptica distorsionada de los primeros instrumentos, no siempre era fácil dibujar lo que se veía. Podías »observar» cosas que no existían en absoluto; esos canales y vegetación de Marte que el pobre Schiaparelli dibujó desde su observatorio milanés no eran más que una ilusión óptica, causada en parte por la turbulencia de la atmósfera. Sólo unos pocos astrónomos muy capacitados, como Caroline y William Herschel, podían detectar al instante una nueva estrella en una galaxia conocida, ¿una señal de algún cataclismo lejano?
La fotografía podría cambiar todo eso. Arago se dio cuenta al instante del inmenso potencial de esta técnica: Las imágenes tomadas en la profundidad de la noche podrían analizarse cómoda y cuantitativamente a la luz del día. Las mediciones podían ser precisas y se podían comprobar repetidamente.
Daguerre recibió una pensión y permitió a Arago que abriera los detalles de su procedimiento, lo que llevó a una explosión de estudios de retratos en París y en todo el mundo. Pero resultó que el método de Daguerre no era lo suficientemente sensible o práctico para capturar nada más que las estrellas más brillantes, el Sol o la Luna. La siguiente tecnología de moda, las emulsiones de colodión húmedo, no era mucho mejor; las placas se secaban durante las largas exposiciones necesarias para capturar objetos astronómicos débiles.
Los astrónomos tuvieron que esperar 40 años, hasta la década de 1880, para que finalmente estuvieran disponibles placas fotográficas secas muy sensibles.
El gran cometa y el gran sueño
Un acontecimiento único en la vida formalizó el matrimonio entre la astronomía y la fotografía. Un cometa gigante pasó por la Tierra y el director del Observatorio del Cabo, David Gill, tuvo la excelente idea de acoplar una de estas nuevas y sensibles cámaras a un telescopio. La montura del telescopio giraba con el movimiento de la Tierra, permitiendo que las placas fotográficas recogieran constantemente la luz del cometa. Gill quedó asombrado por la cantidad de detalles visibles en su fotografía, y se dio cuenta de que, con el telescopio y la óptica adecuados, se podría realizar por fin ese antiguo sueño de los astrónomos: elaborar un mapa del cielo.
Este mapa del cielo no sería dibujado a mano; sería preciso y cuantitativo. Las estrellas podrían grabarse en placas fotográficas, y su número, posición y brillo se medirían con precisión. Gill escribió a Mouchez, director del Observatorio de París, sugiriéndole que esa empresa soñada durante tanto tiempo podría ser ahora posible.
A finales del siglo XIX, el observatorio de París era uno de los grandes centros mundiales de la astronomía. Desde su fundación, más de 200 años antes, el Observatorio pretendía medir tanto la Tierra como los cielos; el primer director del observatorio, Cassini, había hecho un mapa de Francia, y en el siglo XVIII se había intentado definir el metro en términos de la circunferencia de la Tierra. Era una institución ideal para dirigir un proyecto tan ambicioso.
La fabricación de telescopios para la fotografía
Por desgracia, las primeras placas fotográficas revelaron con demasiada claridad las limitaciones de los telescopios del siglo XIX. ¿Cómo se podían obtener imágenes de una gran franja del cielo lo más libres de imperfecciones posibles? Las aberraciones cromáticas eran el peor problema. Como las diferentes longitudes de onda de la luz se desvían en distinto grado, cada objeto estaba rodeado de halos de colores. Medir con precisión la posición de las estrellas en esas imágenes sería imposible.
Mientras tanto, en París, dos brillantes estudiantes de óptica, los hermanos Henry, habían estado perfeccionando lentes adecuadas para placas fotográficas, puliendo sus propios espejos y probando sus propios diseños de telescopios topográficos. Impresionado por sus hazañas, Mouchez les ofreció un puesto en el observatorio y, en 1885, ya tenían un sistema capaz de fotografiar una enorme extensión de 3×2 grados del cielo (espacio suficiente para 24 lunas llenas).
A estas alturas, Gill y Mouchez estaban convencidos de que el ansiado «gran mapa del cielo» era por fin técnicamente factible, y Mouchez presentó su proyecto al Instituto de Francia, el principal foro de descubrimientos científicos. Aseguró a los doctos miembros que, gracias a los observatorios de todo el mundo, el estudio podría completarse en pocos años y con un coste mínimo. Mouchez fue el primer astrónomo que descubrió la verdad, ya muy trillada, de que la forma más segura de conseguir la aprobación de un proyecto es subestimar su complejidad y su coste.
Poco después, él y Gill convocaron la primera reunión astronómica internacional en París -la reunión «astrográfica» de 1887- para planificar el estudio. Una fotografía de la conferencia muestra filas de hombres barbudos de aspecto severo, algunos con sombreros y bastones. Los hermanos Henry están en la última fila, no lejos de Ernest Gautier, que diseñó la sólida montura que necesitaban el telescopio y la óptica de los hermanos. La fotografía fue tomada por Nadar, el fotógrafo de retratos estrella de la época. Es difícil saber dónde se encuentran exactamente los asistentes; el fondo es de un negro intenso, pero debe ser en algún lugar del recinto del Observatorio.
El objetivo de esta reunión era acordar los parámetros técnicos del estudio. Leyendo las notas de la reunión desde nuestra perspectiva moderna, parece extraño que casi no haya una discusión detallada de los objetivos científicos del sondeo o de la precisión que debían tener las mediciones. La discusión era sencilla: Tenemos esta fantástica y nueva técnica de fotografía astronómica, así que veamos qué se puede conseguir con ella.
Cartografía del cielo
El proyecto se dividió en dos partes. En la primera -la Carte du Ciel- se tomaron placas que cubrían todo el cielo y se imprimieron en metal para su posterior consulta. Estas imágenes tenían exposiciones de 30 minutos y revelaban estrellas tan débiles como de magnitud 14. Con una segunda serie de placas (el «estudio astrográfico»), se realizaron tres exposiciones de 20 segundos, 3 minutos y 6 minutos, con el telescopio ligeramente desplazado entre las exposiciones para ayudar a identificar los fallos y defectos de las placas.
El objetivo era identificar y catalogar todas las estrellas débiles hasta la 11ª magnitud (hay que tener en cuenta que el sistema de magnitudes es logarítmico; la estrella más débil que se puede ver con prismáticos está en torno a la 10ª magnitud, por lo que las estrellas de 11ª magnitud son aproximadamente el doble de débiles). A partir de estas placas, se extrajo un catálogo de estrellas midiendo la posición de cada estrella con un microscopio y convirtiendo estas posiciones a un sistema de coordenadas celestes estándar. Cada placa cubría dos grados cuadrados, varias veces la superficie de la Luna llena.
Aun así, el número de placas necesarias para cubrir todo el cielo era enorme: 22.000. El trabajo se repartió entre 17 observatorios. En Francia, Burdeos y Toulouse se unieron al Observatorio de París. En el hemisferio norte, se contrataron observatorios de Inglaterra, Italia, Finlandia y Alemania. En el hemisferio sur, los telescopios de México, Brasil, Australia, Chile, Sudáfrica y Argentina aseguraron las declinaciones más bajas. Cada observatorio utilizó el diseño del telescopio de los hermanos Henry y la montura de Gaultier y se encargó de catalogar e imprimir las placas en «su» zona del cielo. La comunicación entre París y los observatorios estaba asegurada por medio de telegramas (uno de los directores de los observatorios dijo en la reunión que tenían «datos gratuitos»; el envío de sus telegramas no tenía ningún coste).
Aunque Pickering, de Harvard, asistió a la reunión, ningún observatorio estadounidense decidió participar en el estudio. Los estadounidenses pensaban que un estudio más superficial y rápido podría ser suficiente, en lugar del trabajo monumental propuesto en París, y desconfiaban de los grandes proyectos organizados de forma centralizada.
Medición de las estrellas
Se creó un nuevo departamento en el Observatorio de París para gestionar los proyectos, y se celebraron cinco conferencias sucesivas antes de 1907. La escala de organización necesaria era asombrosa. Cada placa tendría entre 1.000 y 2.000 estrellas. Cuantas más estrellas hubiera en cada placa, más tiempo se tardaría en contarlas, con más de un millón para el estudio completo. El recuento fue realizado por un ejército de mujeres jóvenes que se encargaron de calcular la posición de las estrellas en cada una de las placas.
Pronto se hizo evidente el coste de la vasta empresa. Contar las estrellas a mano requería, por supuesto, mucho tiempo, pero producir las placas metálicas de referencia era una empresa tan costosa que sólo unos pocos observatorios podían hacerlo. Además, algunas partes del cielo, más cercanas al plano de nuestra galaxia, tienen muchas más estrellas; los observatorios que se ocupaban de ellas sacaban claramente la paja más corta para el trabajo de recuento. Al cabo de pocos años, varios observatorios se retiraron del programa.
Sin embargo, el trabajo avanzó muy lentamente. Al mismo tiempo, la astronomía estaba cambiando; treinta años desde el inicio del estudio trajeron consigo continuos desarrollos en la instrumentación y la óptica que hicieron que las observaciones del inicio del estudio quedaran parcialmente obsoletas.
Se inventa la astrofísica
Al mismo tiempo, se crean y perfeccionan instrumentos completamente nuevos que permiten medir, por ejemplo, la abundancia de elementos en las estrellas y las galaxias. Con estos instrumentos, los nuevos grandes observatorios de California crearon la nueva ciencia de la astrofísica. El trabajo en este nuevo campo requería habilidades y conocimientos muy diferentes a los de la creación de la inmensa Carte du Ciel.
Retrospectivamente, algunos astrónomos empezaron a ver el proyecto de la Carte du Ciel como un obstáculo para la astrofísica en Francia. Otros argumentaron lo contrario: que condujo a la creación de un nuevo conjunto de «servicios astrofísicos» (que más tarde se convertiría en la organización nacional de investigación francesa, el CNRS, junto con un nuevo laboratorio, el Instituto de Astrofísica de París, y un observatorio asociado en Haute-Provence, en el sur de Francia.
¿Por qué proliferaron estos nuevos laboratorios? Tenía que haber un nuevo espacio en el que los astrónomos pudieran trabajar lejos de las exigencias de la Carte du Ciel, que tanto tiempo consumía. De hecho, había que hacer astrofísica con el catálogo astrográfico, pero todavía no existían las técnicas de análisis necesarias para extraer esta ciencia. El nuevo estudio de la astrofísica desvió recursos del levantamiento, pero el trabajo continuó. Después de la Segunda Guerra Mundial, la última placa se tomó finalmente en 1964, y la Unión Astronómica Internacional declaró el trabajo terminado (aunque sólo se tomaron la mitad de las placas para el estudio más profundo de la Carte du Ciel).
La digitalización y la nueva computación
Poco después, los ordenadores empezaron a estar disponibles. Los astrónomos se dieron cuenta de que estas nuevas herramientas podrían ayudar a reanalizar los miles de placas del estudio astrográfico, la mayoría de las cuales se tomaron a principios del siglo XX. Cien años después del comienzo del estudio, los astrónomos tomaron las posiciones medidas manualmente de todas las estrellas de 22.000 placas en docenas de volúmenes impresos y las combinaron con estrellas de referencia más brillantes de satélites como Tycho e Hipparcos. Así obtuvieron las nuevas posiciones de los 4 millones de estrellas.
La imagen de un cielo centenario que proporciona este nuevo catálogo ofrece una oportunidad única para explorar los cambios en los cielos. Al medir los movimientos de las estrellas, los astrónomos esperan calcular las órbitas de las estrellas alrededor de la galaxia y, por tanto, la estructura de la Vía Láctea. Dado que las estrellas sólo se mueven una pequeña cantidad cada año, es necesario un gran lapso de tiempo para medir los movimientos con precisión. Pero en los años intermedios, las mejoras en los detectores y en los sistemas de medición condujeron a un aumento exponencial de la precisión, mientras que cada año que pasaba sólo conducía a un aumento lineal pedestre de la precisión para los movimientos determinados mediante el estudio astrográfico. La última generación de catálogos Gaia de alta precisión sólo necesita una línea de base de unos pocos años para derivar fácilmente los movimientos de mil millones de estrellas sin utilizar ningún catálogo antiguo.
De la Carta del Cielo a Gaia y Euclides
Hoy en día, los descubrimientos en astronomía son impulsados por grandes colaboraciones internacionales. La mayoría de los proyectos de infraestructura, desde los telescopios terrestres hasta los satélites, se han vuelto tan grandes y costosos que ninguna nación podría esperar llevarlos a cabo por sí sola. Al igual que los albores de la fotografía, cada nueva tecnología de detección impulsa a los astrónomos a tratar de responder a una simple pregunta: ¿Qué aspecto tiene el Universo con este instrumento?
Hoy en día, estamos construyendo lenta y progresivamente mapas de alta resolución del Universo en todas las longitudes de onda del espectro electromagnético. Algunos de estos mapas se han vendido a organismos de financiación con alguna pregunta científica específica en mente, pero la realidad siempre ha sido otra. La mayoría de los astrónomos esperan que las enormes cantidades de datos puedan conducir a nuevos e inesperados descubrimientos. (Las ondas gravitacionales y las partículas elementales nos están contando nuevas historias sobre el contenido del Universo).
Puede que el proyecto Carte du Ciel no haya hecho descubrimientos revolucionarios, pero fue tal vez el primer ejemplo de una gran colaboración internacional en el ámbito de la ciencia diseñada para sacar partido a una nueva tecnología. Sufrió los problemas habituales de este tipo de proyectos en la actualidad: sobrecostes, insuficiencia de personal y capacidad informática, gestión centralizada insensible y conflictos de procedimiento entre astrónomos.
A pesar de todos estos problemas, hemos sido recompensados con una mirada única (y ciertamente defectuosa) del Universo. La Carte du Ciel ha proporcionado señales inestimables sobre cómo se harán los futuros descubrimientos astronómicos. Gaia y los futuros proyectos que pretenden cartografiar el Universo, como Euclides, siguen el camino que comenzó en París.
