Ulls que veuen l’invisible: Gaia

ViaLactea.jpg Des que Galileu va usar el telescopi per descobrir els cràters de la lluna, els quatre satèl·lits més importants de Júpiter i molts altres fenòmens, hem anat construint ginys més i més sofisticats per mirar el cel i poder captar el que els nostres ulls no poden percebre: estrelles i galàxies que mai ningú abans havia vist. Si podeu jeure al terra, al camp o a la muntanya, en una nit sense lluna i lluny de la contaminació lumínica, tindreu una bona percepció del que és l’Univers. L’espai us atrau, i tal vegada tingueu la sensació que podeu arribar a “caure” cap a l’infinit. Els ulls s’adapten a la foscor, i acabareu veient moltíssimes estrelles. Bé, de fet us pot semblar que són moltíssimes, però tampoc són tantes. Podreu veure de l’ordre de mil cinc-centes estrelles (en veuríeu unes 3000 si anéssiu també a l’hemisferi sud a veure l’altra part del cel). Per tal de veure’n més, ens cal un telescopi. Els telescopis són ulls artificials per a veure l’invisible, el que és més enllà de la nostra percepció.

Segons noticies de fa pocs dies, els tècnics de Toulouse ja han acabat el muntatge del satèl·lit Gaia, de l’agència espacial europea (ESA). Ara el portaran a la Guaiana Francesa, on una nau Soyuz el propulsarà a la tardor cap la seva òrbita.

Durant cinc anys, Gaia anirà fent observacions per tal de crear un mapa de mil milions d’estrelles de la Via Làctia. De fet, Gaia no serà un satèl·lit sinó un planeta artificial, perquè girarà al voltant del Sol tot mantenint-se en el punt Lagrangià L2, un punt de la recta Sol-Terra a 1,5 milions de quilòmetres de la Terra en direcció contrària al Sol. L2 és un punt estable a l’ombra de la terra. Gaia no patirà canvis de temperatura i necessitarà molt poca energia per estabilitzar el seu moviment i rotació, ja que, de manera natural, anirà descrivint una corba de Lissajous al voltant de L2, com si anés passejant per una gran vall enmig de l’espai i del no res. Gaia és hereu del telescopi Hubble. Però com que tot evoluciona, podrà aconseguir imatges d’una resolució molt més gran (el nombre de sensors fotogràfics CCD de Gaia és de 106, front als dos sensors de Hubble), tot arribant als 938 megapíxels.

Gaia és un veritable prodigi de la ciència i la tecnologia. La seva càmera digital té una resolució de 24 microsegons d’arc, gràcies al seu sistema òptic i gràcies a que els píxels dels seus sensors CCD són de 23 x 13 mil·lèsimes de mil·límetre (micres). En d’altres paraules, amb la càmera fotogràfica digital de Gaia podríem fotografiar un pòster des de 1000 quilòmetres de distància i veure-hi fins i tot un cabell humà que hagués caigut damunt el paper (vegeu nota al final). No està malament, oi? Si no fos per les distorsions i absorcions atmosfèriques, podríem fer una foto des del cim de l’Aneto i reconèixer un cabell en un full de paper a Lisboa. A més, per tal de mesurar distàncies a les estrelles, Gaia ens proporcionarà imatges capturades amb “els seus dos ulls”, ulls que sabem posicionar en llocs molt separats per tal de reduir els errors de triangulació en el càlcul de les distàncies. El truc és comparar imatges de la mateixa regió del cel cada mig any, quan Gaia es trobarà en punts oposats de la seva trajectòria al voltant del Sol. Amb aquest mètode, tindrem fotos capturades per dos “ulls” que estaran separats 302 milions de quilòmetres i podrem mesurar les distàncies a les estrelles més properes amb una precisió inèdita, del 0,001%. Però no tot serà tan senzill. La nostra galàxia és tan gran que l’error quan calculem les distàncies a estrelles que són prop del seu centre pujarà inevitablement fins a un 20%.

La càmera fotogràfica digital de Gaia té sensors CCD, com les nostres càmeres digitals i telèfons mòbils. El sensor CCD és el substitut digital de les antigues pel·lícules fotogràfiques. És un conjunt d’elements de detecció de fotons organitzats en forma de matriu de punts de manera que puguin mesurar la quantitat de llum arribada a cadascun d’aquests punts o píxels. Els sensors CCD (les sigles CCD venen de “charge coupled device” en anglès) són un clar exemple del resultat de connectar i sumar ciència i tecnologia. La comprensió de l’efecte fotoelèctric, que com sabem va conduir al premi Nobel que Einstein va rebre l’any 1905, va ser aprofitat per Willard Boyle i George Smith, dels Laboratoris Bell, que van inventar els primers dispositius CCD l’any 1969. Willard Boyle i George Smith van rebre el premi Nobel de fisica l’any 2009, justament per l’invent dels CCD. Dos premis Nobel de física, separats més d’un segle.

L’esquema de sota, que podeu trobar a la pàgina web de Hamamatsu, explica molt clarament el funcionament dels CCD. Cada element del CCD és un detector de fotons i correspon a un dels píxels de la imatge que captarem. El CCD d’una càmera digital amb una resolució de 6 megapíxels té 6 milions d’elements sensors, disposats segons una matriu regular en files i columnes. A la imatge de l’esquema de sota, aquests elements es representen com petites galledes. Quan fem la foto i obrim l’obturador, els fotons de llum omplen més o menys cada una de les galledes. És com si plogués; en aquest cas, els gotes d’aigua representarien els fotons. En les galledes dels píxels més clars de la imatge hi plou més que en les galledes que corresponen a píxels de les zones més fosques. Però els fotons són energia, i el principi de l’efecte fotoelèctric ens diu que quan interactuen amb la matèria, desapareixen tot transferint la seva energia als electrons dels àtoms del sensor CCD. Les galledes dels píxels dels CCD no guarden aigua de la pluja perquè els fotons, a diferència de les gotes d’aigua, no es poden parar. La metamorfosi dels fotons (els fotons segueixen Kafka, avui que Google ens recorda que és el 130è aniversari del seu naixement) fa que mentre plouen fotons, les galledes recullen els electrons amb més energia que els fotons han alliberat. Finalment, quan es tanca l’obturador i ja no arriben més fotons, cal “llegir” la imatge tot apuntant-nos la quantitat d’electrons lliures que hem recollit en cada galleda per tal de saber la intensitat lumínica en cada píxel i així poder construir la imatge digital. Això és el que veiem al centre i a la part de baix de l’esquema. El procés de lectura és seqüencial, amb un mecanisme que es pot explicar molt bé amb cintes transportadores. Les cintes es mouen i vessen el contingut de totes les galledes de la primera fila en una cinta amb galledes auxiliars. Tot seguit, aquesta cinta auxiliar va vessant les seves galledes en el contenidor calibrat de mesura que veieu a sota de l’esquema. Aquest contenidor pot mesurar el contingut de les galledes una rere l’altra, abans de buidar-se i repetir tot el procés amb la següent fila de galledes del mig de l’esquema. És clar que en realitat, els moviments de les cintes són desplaçaments de registres que contenen les informacions dels píxels o galledes.

CCD_LlegirPixels.jpg

 

Nota: Una resolució de 24 microsegons d’arc entre dos píxels veïns, és increïblement elevada. Si dividim 24 microsegons (o sigui, 24 per 10 elevat a la -6 segons) per 3600 tindrem la resolució en graus, i si després la dividim per 180 i la multipliquem pel nombre pi, la tindrem en radians. Si feu el càlcul, veureu que la resolució entre dos píxels veïns dels CCD de Gaia és de 1,16 per 10 elevat a la -10 radians: 0,000000000116 radians. Utilitzant l’equació geomètrica que ens diu que l’arc és igual a l’angle pel radi quan l’angle es mesura en radians, podem veure que quan enfoquem el telescopi de Gaia a una determinada distància D, podem captar objectes d’un gruix igual al resultat de córrer la coma 10 posicions en el valor de D. Per això, amb Gaia podríem fer una foto des del cim de l’Aneto i reconèixer un cabell en un full de paper a Lisboa.

2 comentaris

  • Pere Brunet

    09/07/2013 17:30

    La resposta és afirmativa: les càmeres digitals funcionen amb CCDs. Evidentment, una càmera com la del Gaia no es pot usar per fer fotos de familia, però sí que ens podem aprofitar d’aquesta resolució. Ens pot servir, per exemple, per a detectar si alguna de les estrelles de la Via Làctia té planetes com el nostre. La diferència entre una càmera i un telescopi és justament la resolució: un telescopi és una càmera amb un teleobjectiu extraordinari. I el límit del que pot tenir utilitat per nosaltres és encara molt lluny. Amb telescopis més potents que el Gaia podriem entendre el que passa en el forat negre del centre de la Via Làctia, per exemple…

  • Joan

    06/07/2013 0:54

    Suposo que les càmeres digitals funcionen sempre amb CCDs. Voldria saber quin seria l’efecte pràctic fent una foto de família amb una càmera d’aquesta resolució? La comparació amb Lisboa i el cabell s’entén fàcilment però no és pràctica. És que l’ull humà pot aprofitar-se d’una resolució tan extraordinària? Pateix la qualitat percebible d’una imatge? Hi ha un límit del que té utilitat per l’ull humà?

Comenta

*

(*) Camps obligatoris

L'enviament de comentaris implica l'acceptació de les normes d'ús