Capturar la luz más tenue del universo oscuro

Para verse y hablar con Álvaro González hay que proponérselo en serio. Hay que llegar a Tokio, sumergirse en el inmenso laberinto de transporte de su área metropolitana, tomar el tren JR Rapid en la Chuo Main Line hacia el Oeste, llegar hasta el campus del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), junto a Chofu, en la Prefectura de Tokio, y buscar el Centro de Tecnología Avanzada (ATC), donde está el laboratorio que dirige el físico e ingeniero de telecomunicaciones español.

Su trayectoria es impresionante. Después de estudiar en la Universidad Politécnica de Valencia (UPV), el Alcatel Espacio en Toulouse, la Universidad Internacional del Espacio de Estrasburgo y trabajar dos años en el Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espaciales de la ESA en Noordwijk (Holanda), accedió al prestigioso Instituto de Tecnología de California (Caltech) cuya tasa de admisión es solo del 2%. En septiembre de 2017, la IEEE le otorgó su Premio Young Scientist Award en Ciudad del Cabo (Sudáfrica).

Álvaro González trabaja en el desarrollo del receptor de la Banda 10 (787-950 GHz) del grupo de ALMA Future Receiver Development, dedicado al desarrollo de la próxima generación de receptores de radioastronomía para ondas milimétricas y submilimétricas, corazón de los gigantescos radiotelescopios de ALMA situados en el desierto de Atacama (Chile). Esas ondas son las que nos permiten visualizar las luces más tenues del espacio profundo y nos, así como los gases y el polvo estelar que envuelve las galaxias, invisibles para los telescopios ópticos incluido el espacial en órbita Hubble.

Masahiko Hayashi, director general del NAOJ, afirma que en el ATC están decididos a superar las limitaciones de la tecnología convencional mediante una innovación técnica disruptiva. Allí los físicos teóricos saben el qué, y los ingenieros han de materializar el cómo. Álvaro González lo explica con un ejemplo: “Al principio, las especificaciones que nos piden los astrónomos o los físicos suelen ser tan ambiciosas que parecen pura ‘ciencia-ficción’. A veces, esto nos obliga a poner a los astrónomos con los pies en la tierra. Les dices: 'eso no se puede hacer', y 'lo que se puede hacer es esto'. Te escuchan, pero luego siempre te piden 'un poco más'. Y ahí es cuando el desarrollo tecnológico te obliga, necesariamente, hacer una innovación”.

“Al final debes establecer retos y acabar desarrollando nuevas cosas que no existen. No es algo convencional. No es seguir unas pautas y hacer un desarrollo. Tienes que pensar out of the box, ‘desde fuera de la caja’. Tener una preparación muy amplia y diversa ayuda, porque no sigues líneas convencionales. Es como una especie de juego: no hay un camino trazado previamente a seguir”.

Lo nunca observado

El observatorio ALMA está ubicado al norte de Chile, en una de las zonas más secas del mundo, con casi con total ausencia de vapor de agua y, por tanto, en condiciones ideales para que sus 66 gigantescas antenas parabólicas reciban las ondas milimétricas y submilimétricas. Álvaro González explica que “si observas con un telescopio normal el universo frío, el polvo estelar, que tiene una temperatura desde 50º a 100º Kelvin en sus zonas más calientes, no se ve nada porque no brilla. Así que se necesitan unos detectores como los que desarrollamos”.

Álvaro González, líder del grupo de invesitgación ALMA Future Receiver Development

“Lo que añade ALMA, que nunca había hecho antes en astronomía, son dos cosas: una, la sensibilidad de nuestros detectores; y otra, que se ha podido sintetizar para la observación del universo anchos de haz de milisegundos de arco. Eso lleva a combinar con interferometría, como si fueran una sola, las 66 antenas que tenemos en el desierto de Atacama, creando con ello un radiotelescopio virtual de proporciones gigantescas, equivalente a una antena parabólica de unos 15 km. de diámetro”, añade.

Esas dos cosas, que no se habían conseguido nunca antes permiten, ver cosas del universo más oscuro, invisible a la óptica de los telescopios. “ALMA ha llegado a captar luz producida en el universo hace 13.000 millones de años, o a detectar una molécula orgánica en otra galaxia, y también un agujero negro”, señala el investigador español.  

“Para recibir la tenue luz que emite el polvo estelar la aspereza de la superficie de la antena tiene que ser plana con una variación menor de 20 micras (milésima parte de un milímetro). La gravedad, incluso el viento, en un lugar a 5.000 metros de altura, no tienen que poder cambiar la forma. Esto es extremadamente importante porque estamos observando señales tan tenues que la visión de la antena debe estar perfectamente enfocada, la potencia de la señal baja por debajo del umbral de ruido”.

Eso obliga al laboratorio de Álvaro González a innovar en la fabricación de metales y materiales, por sí mismo (in house). "Hemos tenido que desarrollar y fabricar los materiales aquí nosotros e integrarlos en el cuerpo de la antena. La innovación que hacemos es radical. En el foco secundario de esas antenas hay que ubicar los receptores en una cabina dotada de un criostato, que espera enfriar los receptores hasta los 4 grados Kelvin, o sea a -269ºC ‘bajo cero’. En esas condiciones los electrones dejan de moverse, el ruido térmico que generan se reduce y puedes detectar señales que están por debajo de ese nivel de ruido. Si no enfrías, el ruido térmico de los electrones enmascararía las señales que quieres detectar".

"Además, tienes que usar principios de mecánica cuántica y de superconductores para poder captar esas señales tan débiles", continúa el investigador español. "Porque hay otros tipos de ruido, como el ruido ‘shot’ (Shot noise, o Poisson noise) que tienes en barreras cuánticas que también están en los semiconductores. Si enfrías esa electrónica puedes reducir esas contribuciones que alteran la señal”. En cuanto a materiales superconductores, "los receptores llevan mezcladores llamados superconductor insulato. Actúan como una barrera cuántica. Para construirlos usamos un metal de transición, el Niobio".

Ninguna de las 66 antenas del radiotelescopio ALMA de Atacama tiene lentes ópticas como el Hubble. En realidad, lo que captan son datos. Imaginamos fácilmente cómo ve el Hubble o los telescopios ópticos lo que tienen delante, muy lejos. Lo hacen como una cámara fotográfica. Pero imaginar cómo fotografían los receptores del ALMA la parte del universo oscuro de polvo estelar y de luz tenue de las nubes de gases hacia la que enfocan no es tan fácil.

Álvaro González lo explica así: "En las nubes de gases que capta ALMA en el espacio, las moléculas cuando rotan, cuando cambian de número cuántico, radian a determinadas frecuencias que están en el ámbito de las milimétricas y submilimétricas. Las frecuencias atómicas de rotación y vibración, en cambio, están en el infrarrojo. Lo importante es que si analizas la frecuencia de rotación puedes ver cuál es el contenido de una determinada molécula de gas en el espacio, es decir, qué elementos químicos contiene. Así que si ‘mapeas’ una zona en torno a una estrella, por ejemplo, puedes averiguar la composición de las diferentes nubes de gases, alrededor. Algo muy importante para el estudio de la astroquímica del espacio, para ver qué reacciones químicas y que proporciones de ellas están ocurriendo en las zona donde se forman las estrellas y los planetas".

El ALMA Future Receiver Development Group que lidera Álvaro González está desarrollando los receptores para la próxima generación de radiotelescopios. El grupo está compuesto por una decena de investigadores e ingenieros es muy diverso, con perfiles y procedencias de disciplinas muy distintas.

La innovación que impulsa todo el ecosistema de la iniciativa científica ALMA, no tiene, en principio, propósito comercial. Su foco es la ciencia. Sin embargo, la innovación directa o indirectamente siempre produce retornos a la sociedad.  Así, por ejemplo, “los desarrollos para frecuencias submilimétricas que usamos para nuestros detectores se están poniendo de moda para intentar desarrollar los enlaces de wi-fi a 100 Terahercios, o en los radares de los coches". Es como una innovación ‘por contagio’.