Te veo en el lado oscuro de la luna: Observatorio de la Radio Lunar de China

Durante casi todo el tiempo que ha habido radio, ha habido antenas entrenadas en el cielo, mirando el universo de una manera diferente a la astronomía tradicional. Los radioastrónomos han usado su equipo sensible para estudiar el Sol, los planetas, galaxias distantes, y objetos extraños desde el mismo borde del universo, como púlsares y cuásares. Incluso se han explorado los primeros momentos del universo, un retrato en radiación de microondas de los restos del Big Bang.

Y sin embargo, con todas estas observaciones, hay una porción sustancial del espectro radioeléctrico que sigue siendo en gran medida un misterio para los radioastrónomos. Gracias a la ionosfera de nuestro planeta, la mayoría de las señales por debajo de 30 MHz no son observables por radiotelescopios terrestres. Pero ahora, gracias a la oportunidad que ofrece el ambicioso programa de exploración lunar de China, la humanidad está escuchando más de lo que dice el universo, y lo hace desde un nuevo punto de vista: el lado lejano de la luna.


Rebotando en ambas direcciones

Como cualquier operador de radioaficionado puede decirle, la clave para la comunicación global directa por radio es la ionosfera de la Tierra – esas capas de partículas cargadas que fluyen y refluyen a 50 a 600 millas (80 a 1000 km) por encima de nuestras cabezas. Producida por el flujo constante de radiación que fluye desde el Sol e interactúa con el campo magnético de la Tierra, se sabe desde hace tiempo que la ionosfera refracta las ondas de radio. El grado de refracción de las ondas de radio depende de cosas como la estructura de la ionosfera, que cambia diariamente, así como el ángulo en el que las ondas de radio golpean las capas de partículas cargadas. Pero la refracción también depende en gran medida de la longitud de onda de las ondas incidentes, con la banda de 10 metros, o 28 MHz, normalmente considerada el límite superior para el rebote ionosférico útil.

La refracción de las ondas de radio por debajo de 30 MHz más o menos representa el problema central de la radioastronomía de baja frecuencia basada en tierra. (Nota de nomenclatura: mientras que los operadores de radiocomunicaciones comerciales y de aficionados consideran que el espacio entre 3 MHz y 30 MHz es la banda de “alta frecuencia” (ondas decamétricas) por razones históricas, las frecuencias reflejadas por la ionosfera son muy bajas para la radioastronomía terrestre). La ionosfera es un reflector de ondas de radio procedentes del espacio casi tan eficiente como lo es para las de fuentes terrestres, y por lo tanto actúa como una manta, aislándonos de lo que el universo nos está diciendo en esas longitudes de onda. Para poder hacer cualquier observación útil por debajo de 30 MHz, los radioastrónomos necesitan desprenderse de esa manta, y la forma más fácil de hacerlo es construir un radiotelescopio basado en el espacio.


El Puente de la Urraca

La misión lunar Chang$0027e-4 de China presentó una oportunidad perfecta para probar lo que es posible con la radioastronomía de baja frecuencia, y para preparar potencialmente el camino para esfuerzos de mayor escala en el futuro. Como parte del ambicioso Programa de Exploración Lunar de China (CLEP), que abarca varias décadas y que puede culminar con una misión tripulada en la década de 2030, el Chang$0027e-4 es una misión complicada, más aún por el hecho de que fue diseñada para explorar el lado más lejano de la Luna.

Queqiao satélite de retransmisión en la L2 Tierra-Luna, mostrando su punto de vista para la línea de visión tanto hacia la Tierra como hacia el lado lejano de la Luna. Observe el paquete NCLE con tres antenas desplegadas en la parte superior. Fuente: Academia China de Tecnología Espacial.

Gracias al bloqueo de mareas, la Luna gira sobre su eje con exactamente el mismo período que gira alrededor de la Tierra, lo que significa que sólo nos presenta una cara. Así que cualquier cosa en el lado lejano será bloqueada del contacto por radio con la Tierra. Por lo tanto, una misión práctica en el lado lejano debe incluir necesariamente algún tipo de sistema de relé, para permitir la comunicación entre la Tierra y la Luna. Mientras que esto podría lograrse con un satélite en la órbita lunar, capaz de amortiguar las señales del lado lejano hasta que vuelva a estar a la vista de las estaciones terrestres de la Tierra, a los planificadores de la misión china se les ocurrió una idea mucho más interesante: colocar su satélite de retransmisión para que las comunicaciones a tiempo completo fueran posibles.

Para lograrlo, los planificadores de la misión Chang$0027e-4 apuntaron su satélite repetidor Queqiao al punto L2 de Lagrange, un punto en el espacio que se encuentra en la línea entre la Tierra y la Luna, pero a 65.000 kilómetros (40.000 millas) más allá de la Luna. Queqiao orbita el punto L2 en una órbita de halo, una trayectoria elíptica alrededor del punto pero con el plano orbital más o menos perpendicular a la línea entre la Tierra y la Luna. Esto le da al satélite, con su antena parabólica masiva de 4,2 metros, una línea de vista de tiempo completo tanto al módulo de aterrizaje Chang$0027e como al rover Yutu-2 en el lado lejano de la Luna, así como la capacidad de permanecer conectado a las estaciones terrestres en la Tierra. Esto también le da una exposición completa al Sol, permitiéndole ser alimentado por paneles solares en lugar de RTGs.

( Queqiao significa literalmente “puente de la urraca”, y proviene de un mito chino donde las urracas se reunían para formar un puente una vez al año para que la hija de la Diosa del Cielo pudiera cruzar la Vía Láctea para estar con su marido. Poético, ¿no?)


Ligeramente atascado

Queqiao ha estado en la estación y cumpliendo su misión principal como repetidor de comunicaciones desde junio de 2018. Pero la posición única de Queqiao lo convirtió en el lugar perfecto para hacer algo de ciencia también. La Academia China de Ciencia se asoció con astrónomos de la Universidad de Radboud en Holanda para diseñar el Explorador de Baja Frecuencia Holanda-China, o NCLE. El paquete de diez kilogramos incluye un sensible receptor de radio definida por software (SDR) de banda ancha y capacidades de procesamiento de señal digital, alimentado por un trío de antenas monopolo que pueden extenderse hasta una longitud de cinco metros cada una.

Se suponía que el despliegue de las antenas se realizaría al principio de la misión, pero la misión principal de Queqiao tenía prioridad y las antenas permanecieron guardadas durante la mayor parte de los últimos 18 meses. El comando para desplegar las antenas fue enviado recientemente, y mientras una antena se desplegó a su longitud completa de 5 metros, las otras dos antenas parecen estar atascadas con sólo unos 2,5 metros expuestos. Es posible que el prolongado tiempo de estiba haya llevado a problemas de lubricación como los que afligieron a la antena de alta ganancia de la sonda Galileo , pero cualquiera que sea el problema, la ciencia que puede hacer el NCLE en este punto es limitada.

Si el NCLE es capaz de desplegar completamente todas las antenas, hay una gran cantidad de ciencia esperando a ser realizada. El observatorio está perfectamente preparado para escuchar las drásticas emisiones rojas de la línea de hidrógeno de 21 cm. Normalmente, en la sección de la banda L de la parte de UHF del espectro, la línea H es el espectro característico del elemento más abundante del universo, y por lo tanto proporciona un mapa de su distribución. Las emisiones de la línea H de las partes más tempranas del Big Bang, las llamadas “edades oscuras” que ocurrieron cuando el universo tenía sólo 800 millones de años de edad, están extremadamente desplazadas hacia el rojo, lo que reduce su frecuencia hasta el punto en que la ionosfera y la interferencia terrestre hacen que la observación terrestre sea impracticable. El punto tranquilo del NCLE en el espacio a bordo Queqiao permitiría a los cosmólogos escuchar el período más temprano del Big Bang en formas nunca antes posibles.

Esquema de la evolución del universo. Completamente desplegado, NCLE podrá ver hacia atrás al período de la “Edad Oscura”, y más allá. Fuente: Equipo de la NASA/WMAP.

La música del universo no es lo único que la NCLE escuchará. Usando la dirección del rayo, las antenas del NCLE podrán observar el Sol, Júpiter – una fuente de radio extremadamente brillante – y la Tierra. Los astrónomos tendrán un punto de vista para estudiar las interacciones entre el Sol y la ionosfera de la Tierra a frecuencias más bajas que nunca antes posibles, e incluso para caracterizar la “fuga” de señales de radio hechas por el hombre a través de la ionosfera. Y todas las observaciones planeadas informarán las decisiones sobre cómo mejorar la radioastronomía de baja frecuencia basada en el espacio, incluyendo posiblemente la construcción de un observatorio permanente en el lado lejano de la Luna, o la puesta en órbita de más satélites para mejorar la resolución a través de una interferometría de línea base muy larga.

Queqiao fue diseñado para durar cinco años, por lo que el equipo de NCLE tiene un tiempo para resolver los errores de la antena y poner el observatorio en funcionamiento. Les deseamos la mejor de las suertes mientras exploran el dominio de las bajas frecuencias desde el lado oscuro de la Luna.

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