Science & Tech

Burst Optical Observer and Transient Exploring System    

( A world wide Network of Robotic Telescopes )

1. INTRODUCCIÓN


Desde los comienzos de la Humanidad el Firmamento ha sido estudiado con interés y curiosidad y, hasta muy recientemente, como algo estático, o muy lentamente cambiante, debido a que la instrumentación disponible no permitía observar de forma inmediata y, con la suficiente profundidad, como para que se pudiera apreciar la evolución de fenómenos transitorios.

Sin embargo, al abrigo de la carrera espacial, los satélites científicos permitieron explorar otras longitudes de onda más allá de las del visible, de modo que en 1.969 los satélites norteamericanos de la serie VELA1 recogieron en sus detectores 16 incrementos muy fuertes del número de fotones gamma sobre el nivel de fondo provenientes de fuentes exteriores al Sistema Solar. Tras estudiar estos incrementos, Ray Klebesadel, Ian Strong y Roy Olson (1.973) anunciaron el descubrimiento de los estallidos cósmicos de rayos gamma (o GRBs, acrónimo de Gamma-Ray Bursts).

 

2. ESTALLIDOS CÓSMICOS DE RAYOS Y LA ESCALA DE DISTANCIA

Los GRBs  se muestran como breves fogonazos de fotones cósmicos de alta energía (≥ 0,1 millones de electronvoltios), distribuidos de manera isótropa en la esfera celeste, lo que apuntaba a su origen cósmico ya en la década de 1980. A partir de entonces, grupos de científicos e ingenieros de todo el mundo comenzaron a desarrollar una instrumentación nueva a fin de estudiar el fenómeno. Actualmente se detectan a un ritmo aproximado de 100 al año, en gran medida gracias al satélite Swift, ideado para tal fin. La ocurrencia de los GRB no es periódica, pero los eventos muestran estructura temporal: el ~25% son cortos (duran de media 0,2 s) y de espectro duro, frente al ~75% que son largos (duran de media 30 s) y de espectro más blando.

Un paso fundamental para profundizar en el conocimiento de los GRB fue la detección de contrapartidas, en otras longitudes de ondas, asociadas al fenómeno y, en particular, en rayos X (como inició el satélite BeppoSAX en 1997), lo que se conoce con el nombre de “postluminiscencia”. Ésto permitió el descubrimiento de las primeras en el visible ya en ese año. La luminosidad de las contrapartidas en el visible disminuye siguiendo una ley de potencias con L α  tα (donde –1,1 < α < -2,0). Desde entonces se pueden resumir los siguientes logros obtenidos por parte de nuestro equipo en el campo:



El estallido cósmico de rayos-gamma
Figura 1. El estallido cósmico de rayos-gamma del 29 de marzo de 2003 (GRB 030329) alcanzó en óptico magnitud 12 horas después del evento (izquierda, Observatorio Europeo Austral), desvaneciéndose para siempre al cabo de varios meses, dejando entrever su galaxia huésped: una galaxia enana y azulada (con alta tasa de formación estelar) de magnitud 23 (derecha, Centro Astronómico Hispano-Alemán de Calar Alto).



1. El primer estudio multirrango de la contrapartida de un GRB (980508), se logró tanto en tierra (desde las longitudes milimétricas hasta el óptico) como en el espacio (ISO en el IR medio y HST en el óptico). El espectro óptico del telescopio de 2.2m CAHA, el  primero obtenido para un GRB, no mostraba líneas de emisión alguna ni tampoco variaciones en escalas de minutos. Conforme a las predicciones de los modelos de ”bola de fuego” (fireball) para esta emisión multirrango (afterglow), la intensidad debía aumentar de manera monótona hasta el máximo, por lo que apuntamos a que otro mecanismo físico distinto debía de ser el responsable para la fase de brillo constante detectada. Observaciones posteriores con el telescopio Herschel de 4.2m de La Palma indicaron la presencia de un objeto subyacente de brillo constante que identificamos como la galaxia anfitriona donde se produjo el GRB, lo que confirmaba los resultados espectroscópicos (z = 0,8) obtenidos por otro equipo con el telescopio Keck de 10m: los GRBs ocurren a distancias cosmológicas.

2. Un estudio detallado en el óptico en GRB 990123, reveló una desviación 2 días en la curva de luz del residuo óptico, lo que fue interpretado como la existencia de emisión colimada, siendo confirmado con posterioridad. El corrimiento al rojo derivado del espectro (z = 1,6) implicaba una energía liberada durante el estallido de 1054 erg. Observaciones polarimétricas  y  milimétricas sirvieron para determinar el máximo de emisión en el espectro multirrango y permitir la ubicación de las tres zonas donde se generan los campos magnéticos.

3. Indicación de la presencia de una supernova (SN) subyacente en GRB 980326 y posteriormente  en GRB 991208. En este sentido, la relación de GRBs de larga duración con SN muy energéticas lo confirmó el hallazgo de GRB 030329 por el satélite HETE-2. Éste es el GRB “clásico'' más cercano de los detectados hasta la fecha (Fig. 1). Con el transcurrir de los días, el espectro óptico en forma de ley de potencias típico de la postluminiscencia inicial fue dejando entrever el espectro típico de una supernova (SN 2003dh) similar a la energética SN 1998bw (prototipo de la nueva clase denominada “hipernovas”), lo que ya no dejaba duda alguna sobre la conexión SN-GRB de larga duración, apuntando a que el colapso de estrellas masivas está íntimamente ligado a esta clase de GRBs. Ello fue confirmado más tarde por nuestras observaciones espectroscópicas y polarimétricas de GRB 060218/SN2006aj.

4. Detección del objeto más lejano del Universo (hasta la fecha), GRB 090423, visible solamente en el IR cercano con un corrimiento al rojo z = 8,2, lo que equivale a que hace unos 13.000 millones de años se produjo un colapso estelar cuyo eco ha llegado hasta nosotros tras viajar por el espacio todo ese tiempo.



La posición en el cielo de los GRBs obtenidas por los diversos satélites se transmite a tierra por medio de la red GCN/BACODINE
Figura 2. La posición en el cielo de los GRBs obtenidas por los diversos satélites se transmite a tierra por medio de la red GCN/BACODINE.


3. EL PORQUÉ DE UNA RED DE TELESCOPIOS ROBÓTICOS.

El Proyecto BOOTES, se gestó como uno de los primeros que se desarrollaron para llenar el hueco existente en la Astronomía de variabilidad rápida. Si a esta tecnología añadimos la capacidad de analizar las imágenes obtenidas en tiempo real, BOOTES se convierte en uno de los instrumentos más adecuados y potentes para la investigación del Universo.

El nombre latino de la constelación del Boyero, BOOTES, sirve como acrónimo, en varias lenguas2, al Proyecto. BOOTES inició su andadura como el primer observatorio robótico de nuestro país, y fruto de una colaboración internacional3 en Astrofísica de Altas Energías, siendo concebido por el autor de este artículo en 1.996. El resto del equipo lo componían científicos e ingenieros de Institutos españoles y checos, a los que se han ido incorporando científicos y tecnólogos de otras nacionalidades (Irlanda, Ucrania, Venezuela) con el paso de los años. Su principal razón de ser es la observación de contrapartidas en el visible de GRBs pero los objetivos científicos son variados, desde la observación diaria de objetos altamente variables en nuestra Galaxia y otras galaxias hasta labores de  apoyo en tierra, para satélites científicos como el Observatorio de rayos-gamma INTEGRAL de la ESA (Agencia Espacial Europea), como veremos más adelante.

Así pues, BOOTES fue diseñado en 1.996 para responder instantáneamente y, de forma automática, inicialmente por medio de dos cámaras de campo ancho (16º x 11º) consistentes a detectores CCD de 1024 x 1024 pix (SBIG ST-8) acopladas a objetivos fotográficos de 50mm (a f/2.0). Una tercera cámara CCD de idénticas característica estaba adosada a un telescopio de 0,2m de diámetro. A bordo del Observatorio Compton de rayos gamma, los 8 detectores de BATSE proporcionaban posiciones de GRBs poco precisas, con errores de varios grados de radio, con lo que las cámaras de gran campo de BOOTES podían registrar imágenes de dichas zonas hasta un límite de magnitud 12. Imágenes más profundas serían obtenidas a través del  telescopio en sí, alcanzándose una magnitud límite de 18 aunque obviamente sólo permitirían cubrir una ínfima parte de la zona de error.  La primera luz se consiguió en julio de 1.998 y desde entonces, los desarrollos tecnológicos en el desarrollo del proyecto se han ido sucediendo año tras año.

Aunque en un principio BOOTES fue pensado como un instrumento para la investigación de los GRB, también ha participado en el estudio de tormentas de meteoros registrándose una gran cantidad de bólidos e incluso otros fenómenos más peculiares que en algún caso llegaron incluso a causar desconcierto entre la población.

Durante los primeros cuatro años de funcionamiento, se ha generado una cuantiosa base de datos fotométricos (mayormente en banda I) de más de 100 Gbytes en donde poder buscar objetos que exhiben variaciones de corto periodo en diversos campos seleccionados por encima de declinación -40º.


3.1. Objetivos científicos

Aunque en los últimos años se han venido acumulando nuevas evidencia de la relación de GRBs de larga duración con el colapso de estrellas super masivas, muchos detalles acerca del proceso y sobretodo, del origen de los GRB de corta duración, siguen siendo un enigma. Para solucionarlo es de la mayor importancia poder realizar observaciones de seguimiento cuasi simultáneas con el fin de detectar emisiones transitorias asociadas a los mismos. BOOTES es un instrumento diseñado para efectuar este tipo de observaciones de seguimiento cuasi simultáneas, gracias a lo cual está contribuyendo eficazmente a aumentar nuestro conocimiento sobre tan elusivos fenómenos. Los principales objetivos científicos del proyecto son:

Observaciones simultáneas y cuasi simultáneas de las zonas de error de GRB. En algunos casos, imágenes simultáneas en el visible pueden revelar contrapartidas muy brillantes (magnitud 9 como en el caso de GRB 990123 o incluso magnitud 5 como en el caso de GRB 080319), ya que la emisión transitoria detectada después del evento es sólo consecuencia del remanente expansivo dejado por el objeto. Este remanente nos proporciona información sobre su entorno pero no sobre el objeto mismo).

Detección de fulguraciones ópticas de origen cósmico:

las que puedan no estar relacionadas con GRB consistirían en un nuevo tipo de fenómeno astrofísico (quizá relacionado con objetos cuasi estelares y otros núcleos galácticos activos o estrellas de corona activa - enanas con líneas de emisión).
en los casos en los que se relacionen con GRB, varios modelos teóricos predicen que habría muchos eventos con sólo emisión transitoria de rayos X y en el visible, por estar la emisión en la banda gamma confinada en una estructura de chorro.


Aparte, hay importantes campos científicos secundarios que también pueden ser acometidos al abrigo del proyecto, entre ellos:

Ocultaciones de estrellas por asteroides para determinar diversos parámetros.

Detección de planetas extrasolares bien por el método de tránsitos o bien por medio de técnicas de microlentes gravitacionales.

Observación regular de objetos transitorios y variables en nuestra Galaxia, como puedan ser estrellas variables de diversas clases (Algol, Mira, AM Her, delta Scuti, etc.) e incluso novas.

Observación regular de supernovas previamente descubiertas en otros observatorios para seguir sus curvas de luz, etc.

Observación regular de blázares.




TELescopio MAlaga de 0.6-m de diámetro y alta velocidad de apuntado en la cúpula de BOOTES-2 en la Estación Experimental de La Mayora (CSIC) en Algarrobo-Costa (Málaga)
Figura 3. Telescopio Málaga de 0.6-m de diámetro y alta velocidad de apuntado en la cúpula de BOOTES-2 en la Estación Experimental de La Mayora (CSIC) en Algarrobo-Costa (Málaga).



3.2. Las estaciones robóticas del Proyecto BOOTES en España

Nuestro grupo es pionero en España en el campo de Astrofísica Robótica. Así, bajo los auspicios del INTA inicialmente y más tarde del IAA-CSIC, se diseñaron y construyeron las dos primeras estaciones de observación de BOOTES, que se encuentran en Andalucía.

La primera de ellas (BOOTES-1) se ubica en el Centro de Experimentación del Arenosillo del Instituto Nacional de Tecnología Aeroespacial (INTA) en Mazagón, Huelva.  La segunda estación está en la Estación Experimental de La Mayora del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en Algarrobo Costa, Málaga. La coordinación de ambas y su aprovechamiento científico se efectúa desde el Instituto de Astrofísica de Andalucía del CSIC en Granada.

En 2001 se expandió BOOTES con una segunda estación ubicada a 200 km de distancia: BOOTES-2 en la estación experimental de La Mayora, del CSIC. Como complemento a esta investigación, en 2002 desarrollamos una  cámara ”all-sky” cuyo diseño se ha patentado en 2005 y que se licenció en 2007 a una empresa española.

La razón de que BOOTES-1 se encuentre en Mazagón (Huelva), mientras que BOOTES-2 está ubicado en Algarrobo Costa (Málaga) no es por casualidad. Aparte del gran número de noches despejadas en estas dos localidades andaluzas, el hecho de que las dos estaciones estén separadas por 240 km es importante. Al hacer uso de idéntica instrumentación y observar simultáneamente el mismo campo del cielo, BOOTES obtiene una visión estereoscópica, por lo que puede, mediante paralaje, discriminar aquellas fuentes detectadas cuyo origen se encuentre cerca de la Tierra (< 106 km).

Los elementos que conforman en la actualidad el equipo de BOOTES-1 en el Arenosillo (Huelva) son:

BOOTES-1A: telescopio reflector Schmidt-Cassegrain (Ø = 0,2-m f/6.3), con cámara CCD MI de 1524 x 1024 al foco Cassegrain adosada al tubo óptico, con campo de 30’ x 20’. En breve será reemplazado para albergar el prototipo del experimento “Pi-of-the-Sky North” en colaboración con la Universidad de Varsovia (Polonia).

BOOTES-1B: telescopio reflector Schmidt-Cassegrain (Ø = 0,3-m f/10), con cámara CCD MI de 1524 x 1024 pix al foco Cassegrain, con campo de 20’x13’, y la cámara “de todo el cielo” CASANDRA-1 dotada de una CCD Alta U16 de 4096 x 4096 pix. Igualmente tiene instalado un objetivo de 400mm adosado a una CCD Alta U16 de 4096 x 4096 pix con el que se cubre un campo de 5º x 5º.

Al abrigo de este observatorio robótico inteligente, se celebró en Mazagón -donde se ubica la estación BOOTES-1- la  ”I Reunión Nacional de Astrofísica Robótica” en 2004, germen del “Workshop on Robotic Autonomous Observatory” celebrado en Málaga con carácter internacional en 2009.

Los elementos que conforman en la actualidad la estación científica BOOTES-2 en Algarrobo Costa (Málaga) son: TELMA (TELescopio MAlaga): telescopio reflector Schmidt-Cassegrain (Ø = 0,6-m f/10), con montura ultrarrápida NTM-502 (tipo alemán), con cámara Andor Ixon DU-888 de alta velocidad de lectura adosada al foco Cassegrain, con filtros g’r’i’ZY, y campo de 10’ x 10’, y la cámara “de todo el cielo” CASANDRA-2 dotada de una CCD Alta U16 de 4096 x 4096 pix. Ver Fig. 4.

Con objeto de ampliar sus objetivos científicos, en 2004 se inauguró la estación BOOTES-IR en el Observatorio de Sierra Nevada en Granada, constando con un telescopio reflecto Schmidt-Cassegrain  (Ø = 0,6-m f/10), con montura altazimutal ultrarrápida y cámara BIRCAM optimizada al infrarrojo cercano, con detector de 1024 x 1024 pix y filtros JHKs, y campo de 13’ x 13’. La primera luz IR se obtuvo en 2007.


3.3 Expansión a otros puntos del planeta

En febrero de 2009 y con la presencia del embajador español en Nueva Zelanda, hemos inaugurado una estación astronómica robótica gemela de la española BOOTES-2, en la Isla Sur de Nueva Zelanda (BOOTES-3), de modo que ya podemos tener acceso al hemisferio sur siendo capaces de responder a alertas de satélites de manera autónoma. Los elementos que conforman en la actualidad la estación científica BOOTES-3 en Blenheim (Nueva Zelanda) son: YA telescope (Yock-Allen telescope): telescopio reflector Schmidt-Cassegrain (Ø = 0,6-m f/10), con montura ultrarrápida NTM-502, con cámara Andor Ixon DU-888 de alta velocidad de lectura adosada al foco Cassegrain, con filtros g’r’i’ZY, y campo de 10’ x 10’, y la cámara “de todo el cielo” CASANDRA-3 dotada de una CCD Alta U16 de 4096 x 4096 pix. Ver Fig. 5.



Imagen por CASANDRA-3 de la Via Láctea sobre el horizonte de la estación astronómica BOOTES-3 en Blenheim (Nueva Zelanda). La silueta del telescopio robótico Yock-Allen de 0.6-m de diámetro se recorta sobre el cielo estrellado de los “kiwis”
Figura 4. Imagen por CASANDRA-3 de la Via Láctea sobre el horizonte de la estación astronómica BOOTES-3 en Blenheim (Nueva Zelanda). La silueta del telescopio robótico Yock-Allen de 0.6-m de diámetro se recorta sobre el cielo estrellado de los “kiwis”.

3.4. Resultados científicos

Desde la primera luz en 1998, hasta la fecha se han obtenido observaciones de más de 100 GRBs, en ocasiones empezando tan sólo 30 s tras el comienzo del GRB. Un gran número de circulares GCN así como una decena de artículos publicados en revistas con juez. Los dos resultados más importantes son la detección de fuente transitoria en el visible, candidata a ser la contrapartida del GRB de corta duración GRB 000313 (Fig. 6) y las observaciones simultáneas a eventos situados en los confines del Universo observable: GRB 050904 y GRB 090423.

Aparte de observaciones en el campo de GRB, BOOTES colabora en el estudio de microlentes gravitacionales, monitoreado de objetos variables (como blázares), etc. Asimismo, las cámaras CASANDRA forman parte de la Red Española de Bólidos y Meteoros (SPMN). Estos estudios incluyen observaciones con doble estación y la evolución de los trazos de meteoros en la alta atmósfera.



Fuente Transitoria asociada al GRB 000313, decubierta por BOOTES
3.5 Objetivos futuros

El desarrollo de nueva instrumentación para BOOTES seguirá su curso. En estos momentos estamos desarrollando el espectrógrafo de baja resolución COLORES que esperamos sea implementado en 2011 en el foco Cassegrain del telescopio TELMA de 0,6m de diámetro en la estación astronómica BOOTES-2.

De igual modo, se persigue la idea de una Red Global de Telescopios Robóticos siendo la estación astronómica robótica BOOTES-4, gemela de las de BOOTES-2 en España y BOOTES-3 en Nueva Zelanda, la que será instalada en Siberia (Rusia) en mayo de 2011.

En junio de 2011 organizaremos el “II Workshop on Robotic Autonomous Observatory” que también se celebrará en Málaga.

De igual manera, y en colaboración con otras instituciones (Universidad de Varsovia, Polonia, y Observatorio Astrofísico Especial, de la Academia de Ciencias de Rusia) pretendemos la instalación en el futuro cercano de sendos prototipos (“Pi-of-the-Sky North” y “MegaTortora”) de modo que la Estación BOOTES-1 pueda convertirse en un referente de la Astronomía de Gran Campo en el Hemisferio Norte.


4. RESUMEN

El seguimiento y estudio de las explosiones cósmicas de rayos-gamma es uno de los campos de la Astrofísica donde la contribución de las astronomía no profesional puede ser mayor, debido a la alta posibilidad de detectar la posluminiscencia óptica de los GRBs si se actúa con la rapidez necesaria para observar la misma tan pronto como la emisión inicial de rayos-gamma haya sido localizada en la bóveda celeste.

En el ámbito del Proyecto BOOTES, pretendemos dedicar parte del tiempo de observación (tanto de BOOTES-2 como de BOOTES-3) a tareas de ciencia ciudadana y divulgación a través de Internet en el marco del Proyecto GLORIA solicitado en el marco del programa FP-7 de la UE y por ello uno de nuestros deseos sería que la comunidad no-profesional en España se beneficiara de la misma.