Los impresionantes descubrimientos del observatorio ALMA en sus diez años de funcionamiento

“Si Chile puede ser campeón mundial de algo, eso sería en Astronomía”. Para Luis Chavarría, astrónomo y representante en Chile del Observatorio Europeo Austral (ESO por sus siglas en inglés), tener al gran ALMA observando el universo desde el Desierto Atacama ha puesto al país a la vanguardia de la investigación del cosmos.

ALMA (sigla de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) es el observatorio submilimétrico más grande del mundo. De ahí radica la importancia que tiene en la ciencia astronómica. Hasta ahora es el observatorio más potente para ver los tipos de fenómenos que pueden estudiar este tipo de observatorios.

Oficialmente comenzó sus operaciones en 2013, pero incluso antes de la finalización de su construcción, ALMA ya reveló importantes aportes al estudio del universo. ”Eso ha ido consolidando las características exquisitas que tiene la geografía de Chile, por una parte, y también todas las ventajas que tiene para hacer observación astronómica en el norte del país”, comenta Chavarría. A finales del 2003, luego de una serie de pruebas, se colocó la primera piedra de lo que sería el radio observatorio más ambicioso de la Tierra.

El sorprendente telescopio erigido en lo alto del llano de Chajnantor, en la Cordillera de los Andes, opera con 66 antenas repartidas en un diámetro de 16 kilómetros. Pertenece al Observatorio Europeo Austral (ESO) y opera, junto con sus socios tanto de Chile como internacionales, como uno de los más importantes sitios de observación del universo. Una de sus particularidades es que puede detectar los componentes que escapan de la luz visible. Incluso es posible observar nubes frías que están a millones de años luz de distancia.

¿Cuáles han sido los mayores hallazgos descubiertos desde ALMA? A continuación un resumen de los más sorprendentes hitos de este observatorio. Una sorprendente instalación que ha posicionado al país como un lugar atractivo para hacer astronomía y para generar redes de colaboración entre quienes practiquen esta disciplina. Cabe recalcar que tanto en ALMA como en otros observatorios de la ESO se entrega el 10% del tiempo de observación a la comunidad chilena.

“Esto también ha ayudado a hacer crecer exponencialmente la cantidad de estudiantes, profesores y universidades que realizan la carrera de Astronomía. Ese es el aporte de ALMA y de los otros laboratorios a la comunidad nacional”, agrega Chavarría.

El 3 de octubre de 2011 ALMA reveló su primera imagen científica: una nueva vista de las galaxias Antennae. Aunque ALMA todavía estaba en construcción y tenía solo 12 antenas, la imagen puso de manifiesto su gran potencial científico, pues brindó una perspectiva sin precedentes de las galaxias en colisión al revelar el frío contenido de polvo y gas de su medio interestelar.

Durante el decenio siguiente, la comunidad astronómica publicó más de 2.500 artículos científicos a partir de datos obtenidos por ALMA sobre una gran variedad de objetos del cosmos. Así, ALMA ha ayudado a los astrónomos a realizar hallazgos científicos revolucionarios que han abarcado desde las lunas del Sistema Solar hasta las galaxias en formación en los confines del Universo, lo que ha dado un impulso sin precedentes a la búsqueda de nuestros orígenes cósmicos.

Los astrónomos estudiaron en 2018 la formación de las galaxias y usaron ALMA para detectar las moléculas de oxígeno más distantes que se hayan observado. El hallazgo, situado a unos 13.280 millones de años luz de distancia, permitió al equipo de investigación determinar que la formación estelar empezó de forma repentina en esa galaxia tan solo 250 millones de años después del Big Bang.

Tras el Big Bang, hubo un período en que el universo careció de oxígeno. El oxígeno se formó posteriormente en las estrellas, que lo fueron liberando a medida que fueron muriendo. El descubrimiento de oxígeno en MACS1149-JD1 indica que toda una generación de estrellas ya había producido y expulsado oxígeno antes del período observado, transcurridos solo unos 500 millones de años desde el nacimiento del Universo.

En 2020, la revista The Astrophysical Journal publicó una vista nunca antes obtenida del polvo y el gas de un campo profundo cosmológico. Un grupo internacional de astrónomos usó ALMA para hacer un inventario del polvo y el gas moleculares en galaxias distantes a una profundidad sin precedentes en el icónico campo ultraprofundo del Hubble (H-UDF), una de las regiones más estudiadas del cielo. Se ha demostrado que las estrellas se forman a partir del colapso gravitacional de densas nubes de gas molecular. Para describir la evolución de las galaxias, es indispensable calcular su contenido de gas molecular y estudiar su desarrollo en el tiempo cósmico. Ese fue uno de los tres grandes objetivos de ALMA desde su concepción.

Un equipo de investigación llevó a cabo el programa ASPECS (‘Estudio Espectroscópico con ALMA en el Campo Ultraprofundo del Hubble’, por su sigla en inglés) con ese fin. Fue el primer programa extragaláctico de gran envergadura diseñado para realizar un estudio tridimensional sin sesgos del contenido de gas molecular de las galaxias en el campo profundo extragaláctico mejor estudiado, el H-UDF.

El radiotelescopio ALMA también ha ayudado a entender mejor los procesos de formación estelar. En 2021, los astrónomos usaron ALMA para mapear el Universo cercano y revelar la diversidad de las galaxias incubadoras de estrellas. Las estrellas se forman en nubes de polvo y gas conocidas como nubes moleculares, o incubadoras de estrellas. Cada incubadora del Universo puede dar nacimiento a miles o incluso decenas de miles de estrellas nuevas durante su vida. Entre 2013 y 2019, los astrónomos del proyecto PHANGS (‘Estudios Físicos en Alta Resolución Angular en Galaxias Cercanas’, por su sigla en inglés) realizaron la primera observación sistemática de 100.000 incubadoras de estrellas en 90 galaxias del universo cercano para entender mejor su relación con las galaxias progenitoras. Los astrónomos descubrieron que las incubadoras tienen tamaños y formas muy variados, lo cual incide en las estrellas que allí se forman.

En marzo de 2018, los astrónomos habían usado ALMA y otros telescopios para observar la red interna de incubadoras de estrellas de la nebulosa de Orión. El resultado fue una impresionante imagen con filamentos representados en rojo que se generó combinando datos de ALMA, del telescopio de 30 metros del Instituto de Radioastronomía Milimétrica de Francia (IRAM, en su sigla en francés) y el instrumento HAWK del Very Large Telescope, del Observatorio Europeo Austral (ESO, en su sigla en inglés). Los filamentos rojos son estructuras de gas frío visibles únicamente para los pocos telescopios que, como ALMA, observan en longitudes de onda milimétricas, puesto que son invisibles en frecuencias ópticas e infrarrojas. Este gas sucumbe paulatinamente a la fuerza de su propia gravedad hasta quedar lo suficientemente comprimido para formar una protoestrella, precursora de la estrella.

Hace más de treinta años, los astrónomos encontraron una de las estrellas en explosión más brillantes que se habían descubierto en más de 400 años. Conocida como Supernova 1987A (SN 1987A), este gigantesco astro brilló con una intensidad equivalente a la de 100 millones de soles durante varios meses luego de ser descubierta el 23 de febrero de 1987.

Para conmemorar el 30 aniversario de SN 1987A, los astrónomos publicaron nuevos datos e imágenes basados en observaciones del telescopio espacial Hubble de la NASA, del Observatorio Chandra de Rayos X y de ALMA que ofrecieron una vista sin precedentes del astro e inauguraron una nueva era en la historia de esta legendaria supernova.

No todas las estrellas mueren convirtiéndose en supernovas: algunas se inflan y se enfrían hasta convertirse en gigantes rojas. Durante ese proceso, generan flujos de partículas, o vientos estelares, que provocan una pérdida de masa. Debido a la falta de datos detallados, los astrónomos daban por sentado que estos vientos alrededor de la estrella eran esféricos. A medida que sigue evolucionando, la estrella vuelve a calentarse, y la radiación estelar hace brillar las crecientes capas de material estelar eyectado. Así nacen las nebulosas planetarias.

En 2020, los astrónomos usaron ALMA para observar vientos estelares alrededor de una serie de estrellas maduras y lograron explicar las increíbles formas de las nebulosas planetarias. Según sus hallazgos, al contrario de lo que se creía, los vientos estelares muchas veces no son esféricos, sino que se forman de la misma manera que las nebulosas planetarias. Así, los científicos concluyeron que la interacción con un segundo exoplaneta o estrella cercana incide en la forma de los vientos estelares y de la nebulosa planetaria. Los hallazgos de este estudio se publicaron en la prestigiosa revista Science.

En 2014, ALMA extendió sus brazos para alcanzar su máxima resolución angular y observar HL Tau. La revolucionaria imagen obtenida reveló el proceso de génesis planetaria con un nivel de detalle sin precedentes, lo cual supuso un enorme avance en el estudio del desarrollo de los discos protoplanetarios y la formación de los planetas. La imagen superó toda las expectativas y reveló una serie de anillos brillantes y concéntricos separados por surcos. De esa forma, ALMA aportó pruebas fehacientes de la formación de planetas dentro de un disco protoplanetario y demostró que los planetas se forman más rápido de lo que se pensaba.

La comunidad astronómica continuó usando ALMA para estudiar la génesis planetaria durante los años siguientes, y en 2018 un equipo internacional de investigadores publicó los resultados de una gran campaña que aportó una vista sin precedentes de planetas que estaban naciendo. La campaña, conocida como Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP; ‘Proyecto de Observación de Subestructuras de Discos en Alta Resolución Angular’), produjo imágenes en alta resolución de 20 discos protoplanetarios cercanos.

Gracias a estas increíbles imágenes, los astrónomos pudieron estudiar distintas características de los discos que les permitieron calcular la velocidad a la que pueden formarse los planetas. Según los investigadores de estas observaciones se desprende que los planetas más grandes, con dimensiones y composiciones similares a las de Neptuno o Saturno, se forman rápido. De hecho, mucho más rápido de lo que postulaban las teorías vigentes. También tienden a formarse en los confines de sus sistemas solares, muy lejos de su estrella huésped.

En 2019, los astrónomos usaron los datos de ALMA para revelar las entrañas de Júpiter, donde pudieron observar torbellinos de nubes, grandes anillos coloridos y enormes tormentas. La atmósfera de Júpiter ha deslumbrado incontables veces por su belleza y su vorágine. ¿Pero qué sucede debajo de sus nubes? ¿Qué provoca las numerosas tormentas y erupciones que vemos en la superficie de ese planeta? Para saberlo, no basta la luz visible; los investigadores tuvieron que observar Júpiter en ondas de radio. Un nuevo conjunto de imágenes de radio obtenidas por ALMA proporcionó una vista sin precedentes de la atmósfera de Júpiter hasta 50 kilómetros debajo de su manto de nube visible.

Entre los demás objetos del Sistema Solar observados se encuentran asteroides, cometas, lunas y planetas. ALMA incluso ha ayudado a la NASA a ubicar Plutón con precisión, lo que permitió a su misión New Horizons obtener una nueva vista del planeta enano.

Por último, otro gran acontecimiento para ALMA fue su participación en una colaboración internacional de radiobservatorios llamada Event Horizon Telescope (EHT) para constituir un interferómetro a escala mundial que permitió a los astrónomos obtener la primera imagen de un agujero negro. Al ser el telescopio milimétrico más grande del mundo, ALMA fue clave en esta colaboración. Su capacidad sin parangón permitió lograr una calibración de alta calidad con los datos de cada uno de los demás telescopios del conjunto y así obtener las fantásticas imágenes que produjo el EHT. “Para lograr esta imagen se necesitaba un telescopio del tamaño de la Tierra, pero en conjunto con otros telescopios del mundo se pudo lograr esta imagen”, explica Chavarría sobre este gran acontecimiento astronómico.