Cartografiando el Cosmos

“El mundo esta cambiando… lo siento en la tierra… lo veo en el agua… lo huelo en el aire…”

De vez en cuando me viene a la memoria esta primera frase de la versión cinematográfica de “La comunidad del Anillo”. Pero las palabras de Galadriel resuenan ligeramente distintas dentro de mi cabeza:

“La Astronomía está cambiando… lo siento en los observatorios… lo veo en los congresos… lo huelo en las políticas científicas…”

Y esto es realmente así. La Astronomía o, mejor dicho, la forma de hacer Astronomía, está cambiando rápidamente.

Hace un par de décadas lo más normal era que cada astrónomo o pequeño grupo de astrónomos en una universidad o instituto de investigación solicitara tiempo de telescopio para observar ellos mismos durante unas pocas noches al año. Buscaban datos para su propio proyecto de investigación, y prácticamente todo tenían que hacerlo ellos. Los astrofísicos tenían que preparar la propuesta de observación (para convencer a un comité de que su proyecto era interesante y conseguir el deseado tiempo de telescopio), entender las características de telescopio e instrumentos a usar, realizar las observaciones astronómicas, reducir los datos conseguidos (esto es, preparar los datos para ser analizados, por ejemplo calibrar correctamente las imágenes para realizar fotometría o ajustar correctamente la longitud de onda de los datos al realizar espectroscopía), analizar dichos datos (a veces comparando con modelos teóricos, otras veces comparando con más observaciones previas), extraer resultados y finalmente publicar el artículo científico con las conclusiones del estudio.

En esencia, ésta sería la pauta que se seguiría más o menos hoy día en el proceso de investigación astrofísica, aunque yo añadiría como último punto (que, en mi sesgada opinión, es fundamental, y mucho más en los tiempos que corren) la transmisión de los resultados científicos tanto en congresos de astrofísicos profesionales como en actividades de divulgación científica.

El autor de este artículo preparando el Telescopio Carlos Sánchez, de 1.5m de diámetro, en el Observatorio del Teide (Tenerife), para comenzar las observaciones de galaxias del tipo Wolf-Rayet en infrarrojo cercano para su tesis doctoral, en marzo de 2003. Crédito: Ángel R. López-Sánchez.

Pero, como decía con la cita de “El Señor de los Anillos”, los tiempos están cambiado. Aunque es cierto que aún muchos astrofísicos siguen el procedimiento brevemente descrito arriba, en los últimos años se están imponiendo “los grandes cartografiados astronómicos” (“large astronomical surveys”) para estudiar el Cosmos. Incluso se construyen instrumentos científicos (es más, ¡a veces hasta observatorios completos!) directamente pensados para trabajar “en formato survey”, y las propias políticas científicas están cada vez más dirigidas a esos “grandes proyectos”.

¿Qué quiere decir esto? Directamente que a la hora de enfrentarse ahora al quehacer de un astrofísico profesional son esenciales un nuevo tipo de conocimientos, mientras que otros antes fundamentales ahora son apenas relevantes.

Por ejemplo, muchos jóvenes astrofísicos que empiezan su carrera directamente a trabajar en alguno de estos “grandes cartografiados” no necesitan saber nada de observación astronómica, o de preparar propuestas de observación, o de qué ventaja tiene un telescopio/instrumento respecto a otro. Sí, es cierto que los grandes cartografiados también necesitan observadores, pero cada vez es más común que estos sean astrónomos especializados y dedicados casi completamente a ello, cuando no los datos se obtienen de forma semi (o casi) automática. En muchos casos, los astrónomos tampoco “reducen” ya los datos: las rutinas especializadas de los telescopios los dejan prácticamente “listos” para ser analizados.

Sin embargo, ahora es fundamentar saber gestionar bases de datos enormes, muchas veces albergadas en distintos sitios del planeta. El “Big Data” hace tiempo que llegó a la Astrofísica, y ha llegado para quedarse. Por lo tanto, los jóvenes astrofísicos necesitan herramientas de programación, tanto de gestión de bases de datos como estadística a alto nivel (ya no vale una regresión lineal, hay que usar métodos bayesianos o saber hacer un análisis de componentes principales, cuando no procesos más complejos), además de una excelente base en programación y saber usar herramientas óptimas de visualización y representación de datos para poder desarrollar el trabajo de astrofísico. Dicho de otra manera: ¿quieres ser astrofísico, pero no te gusta programar? Lo tienes complicado…

El “Big Data” en Astrofísica ha venido para quedarse. En esta imagen se muestra una toma de alta definición del centro de la Vía Láctea observada en infrarrojo medio tal por el Telescopio Espacial Spitzer (NASA). La pantalla, que consta de 128 monitores LCD de alta definición (longitud total de 7 metros), posee 250 millones de píxeles y se encuentra en Ames Research Center de NASA en Moffett Field, California, EE.UU.. Crédito: NASA/Ames/JPL-Caltech.

¿Cuándo comenzó el auge de los cartografiados astronómicos? En realidad, siempre han existido: desde la Antigüedad los astrónomos escudriñaban los cielos para tener el censo completo de objetos celestes visibles. Estos estudios venían dados simplemente por mapas y tablas donde se codificaban ciertas propiedades (identificación del objeto, coordenadas celestes, brillo, color,…). Tras la invención del telescopio y la confirmación de que “había muchas cosas más ahí arriba de las que veían nuestros ojos” estos catálogos se fueron haciendo más extensos. A principios del siglo XVII el astrónomo alemán Johann Bayer publicaba su famoso atlas estelar “Uranometría”. A finales del siglo XVIII el noble francés Charles Messier confeccionó el primer catálogo de objetos nebulares para ayudar a la hora de identificar un nuevo cometa (la “moda” de entonces). A finales del siglo XIX el astrónomo danés irlandés John Dreyer completó el “Nuevo Catálogo General” (NGC, por sus siglas en inglés, “New General Catalogue”) de nebulosas y cúmulos estelares (basado en los catálogos del famoso astrónomo inglés William Herschel) mientras que las “computadoras del Observatorio de Harvard” escudriñaban placas fotográficas (1), midiendo posiciones, buscando estrellas variables y estudiando por primera vez los espectros estelares. Ya en el siglo XX entramos en los cartografiados de galaxias, destacando los trabajos de Allan Sandage (quien en 1961 publicó el “Atlas Hubble de galaxias” usando todas las observaciones que tanto su predecesor y mentor, Edwin Hubble, como el mismo Sandage, habían realizado en este campo) y también por original el “Atlas de galaxias peculiares” confeccionado por Halton Arp en 1966. Obviamente, en el último siglo se han preparado una infinidad de catálogos de objetos celestes de diversa extensión, de los que podríamos estar hablando durante cientos de páginas.

Pero los “grandes cartografiados astronómicos” propiamente dichos (y ya no catálogos de objetos) empezaron hace apenas 20 años. La diferencia fundamental entre un “catálogo” y un “cartografiado” (o “mapeo” o “sondeo”, que serían la traducción de la palabra inglesa “survey”) es que mientras los primeros sólo buscan “listar” objetos, los segundos pretenden obtener información astrofísica y avanzar en el conocimiento del Cosmos con las observaciones. De hecho, hacen falta “catálogos de objetos” para preparar un “cartografiado”. Además de la lista de los objetos y las propiedades que se derivan de cada uno, en muchos casos los cartografiados también liberan los datos obtenidos para así facilitar el avance del conocimiento científico y que los propios datos sirvan a nuevos proyectos.

En imágenes astronómicas, el primer “cartografiado completo del cielo” fue el “Digitized Sky Survey” (DSS). Se trataban de las placas fotográficas de todo el cielo, digitalizadas con mucho esmero, obtenidas con los telescopios Schmidt localizados en los observatorios de Monte Palomar (en EE.UU., para el hemisferio norte celeste) y Siding Spring (en Australia, para el hemisferio sur celeste). DSS fue publicado originariamente en 1994 usando 102 CD-ROMs, los datos están ahora actualizados y disponibles gratuitamente en internet.

Resultados del The 2dF Galaxy Redshift Survey (“Cartografiado 2dF de desplazamiento al rojo de galaxias”), usando datos de 230 mil galaxias observadas con el instrumento 2dF en el Telescopio Anglo-Australiano. Cada punto azul representa una de estas galaxias. La Vía Láctea estaría en el centro de la figura, estando la galaxia cada vez más lejos de nosotros según se aleja a la derecha o la izquierda (nótese que la cuña derecha incluye en su parte inferior la escala en miles de millones de años luz, “billones” en inglés). La Estructura a Gran Escala, con sus filamentos y vacíos, destaca claramente en la imagen. Crédito: Matthew Colless / colaboración 2dFGRS.

En el campo de la espectroscopía astronómica tuvo un papel clave la fabricación del instrumento multi-fibra 2dF (de “Two Degrees Field”, “campo de dos grados”), instalado en 1997 en el Telescopio Anglo-Australiano (Observatorio de Siding Spring, Australia), y que permitía observar, a la vez, 400 objetos. Con este instrumento se desarrollaron dos cartografiados de galaxias que fueron fundamentales a la hora de empezar a entender la estructura a gran escala del Universo y la evolución de las galaxias. Por un lado, el The 2dF QSO Redshift Survey (o “Cartografiado 2dF de desplazamiento al rojo de cuásares”), que en apenas un lustro proporcionó la distancia a 35 mil cuásares a distancias cosmológicas. Por otro lado, el The 2dF Galaxy Redshift Survey (“Cartografiado 2dF de desplazamiento al rojo de galaxias”) completó un sondeo muy profundo de dos regiones concretas del cielo, proporcionado la distancia a más de 230 mil galaxias, y dando así una exquisita visión de la estructura a gran escala del Universo hasta 2500 millones de años luz.

No obstante, la gran revolución llegó con el “Sloan Digital Sky Survey” (SDSS, “Cartografiado Digital del Cielo Sloan), que sigue en activo (aunque “subdividido” en varios proyectos grandes). Originariamente usando sólo el telescopio de 2.5m del Observatorio de Apache Point (APO, Nuevo México, EE.UU.), completamente dedicado a SDSS, este cartografiado obtenía a la vez fotometría (imágenes) en distintos filtros de todo el cielo visible desde ese telescopio y espectros de galaxias. Desde 1998, SDSS ha obtenido observaciones fotométricas de más de 500 millones de objetos y observaciones espectroscópicas de más de 3 millones de galaxias. Muchos datos están públicos en la web, otros aún son propiedad sólo del proyecto, aunque se van liberando poco a poco. A fecha de hoy, más de 5800 publicaciones científicas en revistas con árbitro han usado datos de SDSS (la gran mayoría de ellos escritos por astrofísicos no pertenecientes a SDSS), siendo los resultados citados en más de 245 mil artículos científicos. De esta forma, SDSS es uno de los cartografiados más citados en la Historia de la Astronomía.

La “Araña Naranja” del Sloan Digital Sky Survey” (SDSS, “Cartografiado Digital del Cielo Sloan) ilustra la enorme cantidad de información a gran y pequeña escala obtenida en este cartografiado. La imagen de arriba a la izquierda muestra la visión que da SDSS de una zona del cielo centrada alrededor de la galaxia M 33. A su derecha aparecen dos ampliaciones de dicha imagen, mostrando tanto la galaxia M 33 en su totalidad (centro arriba) como la gigantesca región de formación estelar NGC 604 (derecha arriba), que brilla en color verdoso por la combinación de filtros usados para obtener el color. Las dos figuras inferiores (las “Arañas Naranjas”) muestran un mapa de todo el cielo tal con los datos de SDSS. A la derecha aparece el hemisferio norte celeste, prácticamente observado en su totalidad, a la izquierda se representa el hemisferio sur celeste. En este mapa se aprecian concentraciones de galaxias (cúmulos), filamentos y zonas aparentemente más vacías, definiendo la estructura a gran escala del Universo. Crédito: M. Blanton and SDSS.

Fue tal la cantidad tan ingente de datos que el cartografiado SDSS produjo que no había, ni de lejos, suficientes astrónomos para analizarlos todos. Precisamente éste fue el origen de “Galaxy Zoo”, el primer proyecto de Ciencia Ciudadana usando grandes datos en internet que necesitaba la interacción de los participantes. Lanzado en julio de 2007, Galaxy Zoo invitaba a los usuarios a clasificar galaxias (¿espiral o elíptica? ¿con brazos o sin ellos? ¿con prominente bulbo central o no?) detectadas de forma automática con las observaciones robóticas conseguidas con el cartografiado SDSS. Se liberaron unas 900 mil galaxias, obteniendo como resultado más de 50 millones de clasificaciones dadas por más de 150 mil participantes durante el primer año. Fue un éxito rotundo y el germen de una miríada de otros muchos proyectos similares que se han extendido más allá de la Astrofísica (muchos de ellos, no todos, compilados en ZooUniverse). La explosión de proyectos de Ciencia Ciudadana usando grandes bases de datos científicos es un ejemplo más de lo “desbordante” que es actualmente para los científicos (en particular, astrofísicos) digerir tanto número.

Y, en efecto, en la última década los grandes cartografiados no han hecho nada más que aumentar en número y complejidad. A SDSS se unió recientemente el “Skymapper Southern Sky Survey”, también usando un telescopio robótico expresamente construido para el proyecto, que busca “completar fotométricamente el cielo del Hemisferio Sur” (entre otras muchas más cosas). En los análisis de galaxias destacan los cartografiados “6dF Galaxy Survey” (6dFGS, en el Telescopio Schmidt del Observatorio de Siding Spring), GAMA (“Galaxy and Mass Assembly”, en el Telescopio Anglo-Australiano) y VIPERS (“VIMOS Public Extragalactic Redshift Survey”, usando el instrumento VIMOS instalado en una de las unidades de 8.2 metros del Very Large Telescope (VLT), en el Observatorio de Paranal, Chile), pero hay multitud más.

Los cartografiados de galaxias se han hecho cada vez más sofisticados al introducir un nuevo tipo de observación: la espectroscopía de campo integral (o espectroscopía 3D), con la que se obtienen a la vez imágenes y espectros. El sondeo CALIFA (“Calar Alto Legacy Integral Field spectroscopy Area survey”), que usa datos del telescopio de 3.5m del Observatorio de Calar Alto (Almería), ha sido pionero y es referencia mundial en la actualidad a la hora de “diseccionar” las galaxias usando la técnica de la espectroscopía de campo integral. En la actualidad los cartografiados de galaxias que usan este tipo de observaciones son el “SAMI Galaxy Survey” (que emplea un novedoso instrumento instalado en el Telescopio Anglo-Australiano) y MaNGA (“Mapping Nearby Galaxies at APO”, también parte de SDSS), con algunos más en camino.

El “Mandala de CALIFA” representa las propiedades física básicas de 169 galaxies extraídas aleatoriamente del cartografiado CALIFA (“Calar Alto Legacy Integral Field spectroscopy Area survey”), que usa datos de espectroscopía de campo integral obtenidos con el telescopio de 3.5m del Observatorio de Calar Alto (Almería). Comenzando por el panel superior y en el sentido de las agujas del reloj se muestran (1) imágenes a color, (2) mapa de la densidad de masa de cada galaxia, (3) edades, (4) imágenes en falso color mostrando el brillo del gas ionizado, (5) emisión de las nebulosas siguiendo la emisión en hidrógeno-alpha y (6) la cinemática del gas usando los datos en H-alpha. Crédito: Rubén García Benito, Fabián Rosales-Ortega, Enrique Pérez, C.J. Walcher, Sebastián Sánchez y la colaboración CALIFA.

A la hora de estudiar las estrellas de nuestra Galaxia, los sondeos más relevantes en la actualidad son GALAH (“Galactic Archaeology with Hermes”, para el que específicamente se construyó el espectrógrafo HERMES en el Telescopio Anglo-Australiano), APOGEE (que está dentro de los nuevos cartografiados de SDSS) y Gaia-ESO (que usa el instrumento FLAMES del VLT).

La búsqueda de exoplanetas alrededor de otras estrellas ha motivado cartografiados como AAPS (Anglo-Australian Planet Search), HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher), WASP (Wide Angle Search for Planets) o CARMENES (“Calar Alto high-Resolution search for M dwarfs with Exoearths with Near-infrared and optical Échelle Spectrographs”, en el telescopio de 3.5m del Observatorio de Calar Alto), todos ellos usando instrumentos (y a veces telescopios) construidos expresamente para este fin. Por supuesto, sin olvidar incluso satélites artificiales como Kepler (NASA), que literalmente ha cambiado la concepción que teníamos de los exoplanetas.

En el campo de la cosmología destacan los cartografiados profundos de galaxias como “Dark Energy Survey” (DES, usando una avanzada cámara construida por el equipo para el Telescopio Blanco, de 4 metros de tamaño, en Chile) y OzDES (“Australia DES”, también en el Telescopio Anglo-Australiano y usando el instrumento 2dF), ambos buscando medir distancias cosmológicas para entender mejor la naturaleza de la energía oscura usando la detección de supernovas en ellas.

Finalmente, en esta larga lista incompleta (quizá bastante sesgada) no me puedo dejar atrás los cartografiados que se están haciendo o se van a hacer muy pronto usando radio interferómetros. Hay muchos, tal y como detallé en un artículo anterior, pero por cercanía y conocimiento destaco aquí los dos cartografiados principales a realizar en el nuevo interferómetro australiano ASKAP (“Australian SKA Pathfinder”): WALLABY (“Widefield ASKAP L-band Legacy All-Sky Blind Survey”), que proporcionará datos del hidrógeno atómico de centenares de miles de galaxias localizadas en un radio de unos 3000 millones de años luz, y EMU (“Evolutionary Map of the Universe”), que espera detectar la emisión de radio-continuo de cerca de 70 millones de galaxias.

El nuevo radio-interferómetro ASKAP (“Australian SKA Pathfinder”), en Australia Occidental, casi listo para comenzar las observaciones para sus grandes cartografiados. Crédito: Alex Cherney/terrastro.com.

En resumen, si en los últimos años hemos vivido una explosión de datos astronómicos dados por grandes cartografiados, en la próxima década todo esto se va a incrementar mucho más. Cada vez mayor proporción de astrofísicos estarán involucrados en estas grandes colaboraciones internacionales, construyendo ya no sólo instrumentos sino telescopios, satélites artificiales, y otras instalaciones más complejas como interferómetros para llevar a cabo grandes cartografiados. Conseguir tiempo de observación en telescopios grandes para proyectos pequeños va a estar cada vez más limitado (y va a ser más difícil) por el aumento considerable de tiempo dedicado expresamente a observaciones de grandes cartografiados. A su vez, estos grandes proyectos tendrán cada vez más preferencia a la hora de diseñar políticas científicas y de decidir qué proyectos científicos se financian y cuáles no.

Como corolario, en este artículo también quiero transmitir a los más jóvenes algo que llevo cierto tiempo repitiendo en mis conversaciones con ellos y en las redes sociales: los conocimientos astronómicos no bastan para ser astrofísico. Era patente cuando yo era estudiante (y tampoco hace tanto, terminé la tesis hace justo una década) que para tener éxito en astrofísica también era muy importante saber programar. Bueno, ahora no es importante, ahora es fundamental saber hacerlo, sobre todo entender y manejar grandes bases de datos, las herramientas estadísticas para extraer información de ellos, cómo lograr una correcta visualización de estos grandes datos, y cómo compartir en red toda esta información. Entre los astrofísicos jóvenes está claro: el lenguaje de programación que hay que saber dominar es Python. Así que mi recomendación para futuros jóvenes astrofísicos es esta: saber reconocer el cielo por la noche, identificar los objetos astronómicos por ti mismo (lo que hacen los astrónomos aficionados) no es importante en Astrofísica. Saber programar, particularmente en Python, es esencial, y va a ser cada vez más crítico. Invertid una buena parte de vuestra formación en aprender a programar bien.

Ya que estoy en ello, y desviándome completamente del tema principal de este artículo, me gustaría añadir un segundo consejo a los más jóvenes, también viviéndolo de mi experiencia personal: hay que saber comunicar lo que se hace, a la vez que entender lo que otros están haciendo. Y para ello lo primero y fundamental es tener un excelente nivel en inglés hablado y escrito. Aún llevando 10 años viviendo en un país cuyo idioma oficial es el del Shakespeare, el no ser nativo en este idioma sigue “lastrando” de vez en cuando mi investigación y desarrollo profesional (dejo aparte mi “acento peculiar” y que me llame Ángel, un nombre que las personas nativas inglesas no saben pronunciar en castellano, todo esto daría de sí otro artículo). Tal es así que, actualmente, equiparo los conocimientos en inglés y en programación (insisto: Python) a los propios conocimientos en Física y Astrofísica a la hora apostar por una carrera en investigación astrofísica.

Si te falla uno de estos tres pilares básicos (conocimientos de Astrofísica, programación e inglés) vas a tener muy complicado poder dedicarte de forma profesional a la investigación astrofísica. Los tiempos cambian, hay que saber adaptarse y, a riesgo de sonar egoísta, hay que planificar desde muy pronto una estrategia a años vista para conseguir trabajar, disfrutando, de la investigación del Cosmos. Y, si al final no funciona (y cada vez es más difícil llegar a dedicarte de por vida a la investigación científica) hay que tener claro que los conocimientos adquiridos (particularmente programación con grandes bases de datos e inglés) tienen unas salidas enormes y aplicación directa en muchos otros campos. Ya dije arriba que el “Big Data” viene a quedarse. En Astrofísica está dirigido por los grandes cartografiados. Pero fuera de ella, incluso fuera de la Ciencia, hay multitud de aplicaciones que lo usan, algunas tan sutiles que las usamos a diario ya sin darnos cuenta.

(1) Recomiendo encarecidamente la lectura del fascinante libro “El Universo de Cristal”, de Dava Sobel, donde se detalla la a veces desconocida pero fundamental labor que astrofísicas como Williamina Fleming, Antonia Maury, Annie Jump Cannon, Henrietta Swan Leavitt, Margaret Harwood o Cecilia Payne realizaron como “mapeadoras del Cosmos”.

Este post ha sido realizado por Ángel López Sánchez (@El_Lobo_Rayado) y es una colaboración de Naukas con la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU

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