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  • Revista Nº 154
  • Por Mónica Rubio

Especial

La revolución del big data cósmico

Ya no solo es el cobre y el vino. También nuestros cielos ubican el nombre de Chile en el firmamento. Una gran cantidad de información y los megatelescopios exigen un cambio. En las próximas décadas, tenemos que asegurarnos de no ser el país donde solo se obtienen estos datos (big data) y se ponen a disposición del mundo, sino que debemos realizar los descubrimientos que ellos esconden.

La astronomía chilena moderna comenzó realmente cuando el director del Observatorio Nacional,  Federico Rutllant, viajó a Estados Unidos a fines de los años 50 para invitar a colaborar a diversos expertos en la construcción de un moderno observatorio internacional en Chile (Rubio, M., Revista Universitaria 83). Rutllant  convenció a los directores de tres universidades, los invitó a Chile y les dio todas las facilidades para su instalación en el país: puso a su disposición a astrónomos y los ayudó a ubicar las mejores cumbres.

El primero en establecerse fue el Observatorio Cerro Tololo, operado por Association of Universities for Reasearch in Astronomy (AURA), de Estados Unidos, y su telescopio de 4 metros (m) fue por varias décadas el más grande del Hemisferio Sur. Un poco más al norte, el Observatorio Europeo Austral (ESO) se ubicó en el cerro La Silla y la Carnegie Institution of Washington (CIW), por su parte, decidió construir otro en el cerro Las Campanas. Estos lugares de investigación permitieron estudiar objetos solo visibles desde este punto de la Tierra. Chile se convirtió en los ojos del planeta para ver el Universo.

 

Tabla que muestra el número de telescopios en chile

Telescopios en Chile. Fuente: “Astronomy, Technology, Industry. Roadmap for the Fostering of Technology Development and Innovation in the Field of Astronomy in Chile”, Conicyt, 2012. Los datos nuevos han sido proporcionados por M. Rubio.

DESCUBRIMIENTOS INSOSPECHADOS

Para avanzar en el conocimiento de objetos más lejanos, los astrónomos requirieron telescopios poderosos, que se construyeron con espejos de 8 m de diámetro. En la década de 2000, a los instrumentos del cerro Tololo se unieron nuevos telescopios. El Gemini Sur, de 8 m y SOAR, de 4 m, en el cerro Pachón. A su vez, en los años 90 ESO decidió construir un arreglo de cuatro telescopios de 8 m, que en conjunto simulan uno de 16 m, el Very Large Telescope (VLT). Lo ubicó en el cerro Paranal, en la II región, y es en la actualidad el observatorio más grande del mundo.

La Carnegie no se quedó atrás y, en conjunto con la Universidad de Harvard, construyó dos telescopios gemelos de gran tamaño, con espejos de 6,5 m de diámetro: Los Magallanes. Con estos instrumentos se avanzó en determinar, por ejemplo, la distancia más precisa a la fecha a las Nubes de Magallanes (Pietrzynski, G., et al., 2019, Nature, 567, 200) o la determinación del punto cero de la aceleración de la expansión del Universo (Perlmutter, S., Schmidt, B., and Reiss, A., 2011, Premio Nobel de Física).

Así, en la década pasada, Chile ya lideraba la cantidad de observatorios astronómicos ópticos internacionales. El Universo visible nos mostraba los cuerpos que emiten la luz y, por lo tanto, los objetos celestes que están calientes. Pero también existía un Universo que no emitía luz: en la década siguiente fuimos testigos de la llegada de los radiotelescopios.

En el altiplano chileno, a 5.000 m, se descubrió el Llano de Chajnantor, un lugar único para estudiar el universo frío que no emite luz, sino ondas de radio. A partir del año 2005, se instalaron en ese lugar radiotelescopios japoneses, europeos y, el más poderoso del mundo, el ALMA. Con sus 66 antenas trabajando en conjunto, cada semana nos entrega descubrimientos insospechados, por ejemplo, imágenes espectaculares de un sistema de planetas en formación; galaxias que contienen oxígeno cuando el Universo tenía solo 500 millones de años (Hashimoto et al., Nature, 2018); la presencia de complejas moléculas orgánicas como azúcares y  alcoholes  en las regiones de formación de las estrellas y sus planetas e imágenes de las diminutas regiones donde nacen las estrellas en galaxias enanas (Rubio M., et al., Nature, 2015).

Recién estuve observando con el radiotelescopio APEX, una de las antenas prototipo que se construyó para ALMA y que está funcionando desde el año 2005, a 5.000 m de altura. Conversábamos con otro investigador sobre los datos que ALMA nos está entregando hoy. Aquí se generan 500 gigabytes para el estudio de una galaxia, y para procesar la información se requiere un terabyte de capacidad. Lo que a mí me sorprende es que ¡esta es solo una galaxia y en el Universo hay millones de millones! Este radiotelescopio está generando mil gigabytes (1 TB) de datos digitales diarios, los que hay que transportar, almacenar y luego “minar”, para después rescatar la información.

Tocar las estrellas

Tocar las estrellas

Esta imagen muestra a un miembro del equipo que trabaja en el telescopio APEX, de ALMA, “abrazando” la Vía Láctea, tal como esta se puede apreciar en el desierto de Atacama. Fotografía C. Duran/ESO.

NUEVAS VENTANAS HACIA EL UNIVERSO

Cada 20 años, los astrónomos se embarcan en la construcción de telescopios más grandes y poderosos, que permiten abrir nuevas ventanas de observación y agregan otras variables para medir el Universo. Lo que viene ahora son los telescopios gigantes, cuyos espejos son de tamaños mayores a los 20 metros y costos que superan los 1.000 millones de dólares cada uno. De los tres proyectos que existen, dos se instalarán en Chile.

Uno es el Giant Magellan Telescope (GMT), liderado por CIW (Carnegie Institution of Washington) junto a un consorcio de universidades de Estados Unidos, Australia, Corea y Brasil. Este posee un diámetro equivalente a 25 m y se ubica en el cerro Las Campanas, en la IV región. El espejo será una roseta de 8 espejos, de 8,2 m cada uno. El otro, el mayor de los gigantes es el Extremely Large Telescope (ELT), de ESO, que tendrá un espejo de 39 m diámetro y constará de 798 unidades hexagonales individuales, cada uno de 1,4 m y 5 cm de espesor, el que se ubicará en el cerro Armazones, frente al Paranal, en la Región de Antofagasta. El tercero se ubicará en el cerro Mauna Kea, en Hawái: el Thirty Meter Telescope (TMT), de un espejo segmentado de 30 m y desarrollado, entre otros, por Japón, Canadá, India y China.

Estos telescopios gigantes  extenderán  nuestros  estudios  a los confines más lejanos del Universo. Con ellos y los instrumentos, cámaras y espectrógrafos de gran sensibilidad y gran dispersión, podremos estudiar los primeros momentos en la historia, inmediatamente después del Big Bang. Además, investigaremos cuándo se formó la primera generación de estrellas y de galaxias, las que serían diferentes a las que vemos hoy. Estudiaremos en forma detallada su evolución y las seguiremos a través del tiempo cósmico.

El ELT, a su vez,  nos  permitirá  descubrir  planetas  como la Tierra, que orbitan otras estrellas y obtener imágenes de ellos. Tan poderoso será, que podrá estudiar las atmósferas de planetas más grandes e incluso del tamaño del nuestro, para determinar la presencia de gases que podrían evidenciar la existencia de vida. Y seguramente nos asombrarán con revelaciones insospechadas.

El telescopio más novedoso y desafiante de la próxima década será el Large Sinoptic Survey Telescope (LSST), que se encuentra en construcción en el cerro Pachón. Con un espejo monolítico de 8 m de diámetro, iniciará sus operaciones en 2021. Tiene una cámara CCD gigante de 3.300 millones de pixeles (gigapixeles), mil veces más grande que una cámara en nuestro celular, y tomará imágenes del cielo completo, cada tres noches, durante diez años, produciendo un universo digital.

Al comparar esas representaciones, se podrá detectar en forma muy temprana asteroides u objetos que pudieran tener una órbita peligrosa, por su eventual impacto en la Tierra. Para ello, es necesario desarrollar sistemas de alertas que permitan identificar estos cuerpos, los que no existen, pero que tendrán que trabajar con terabytes de datos, ya que este observatorio generará un tsunami de información (30 terabytes de datos por noche). Un desafío enorme.

En Chile, tenemos la gran oportunidad de realizar investigaciones utilizando todos estos instrumentos. De esta forma, podemos hacer estudios en una gran variedad de longitudes de onda, desde las ondas de radio submilimétricas que nos permiten estudiar el Universo frío y denso, hasta las visibles, pasando por las infrarrojas que nos devela el Universo gaseoso y caliente.

Un gigante al atardecer

Un gigante al atardecer

El telescopio más novedoso y desafiante de la próxima década es el Large Sinoptic Survey Telescope (LSST), que se encuentra en construcción en el cerro Pachón. Con un espejo monolítico de 8 m de diámetro, iniciará sus operaciones en 2021. Fotografía Proyecto LSST/NSF/AURA.

BIG SCIENCE

En los últimos 30 años, la astronomía se transformó en lo  que llamamos “big science”. Y es grande no solamente por el tamaño de los espejos que tendrán los telescopios en construcción, sino porque estos usan tecnologías de vanguardia que exceden las capacidades de universidades o institutos para construirlos, como era tradicional. Por ello,  requieren de la colaboración de muchos países que aporten al financiamiento, puesto que cada uno de ellos supera los mil millones de dólares en costo. Por lo anterior, estos proyectos aúnan a científicos, ingenieros y otros profesionales e industrias para diseñarlos, construirlos y operarlos en un trabajo conjunto.

Un ejemplo de esta colaboración es ALMA. Este proyecto, inaugurado en 2013, tomó veinte años en diseñarse y construirse, todo con ingeniería de punta –en gestión, logística, innovación y operación– con el objeto de recolectar las señales de onda de radio que producen los cuerpos del Universo, para hacer ciencia. Si bien su concepción e ingeniería se desarrolló esencialmente en el extranjero, el 90% de los ingenieros y los técnicos que la operan hoy día son chilenos y una proporción importante del resto del equipo son chilenos. Financiado por un consorcio mundial que reúne a Norteamérica (Estados Unidos y Canadá), Europa (a través del ESO con 16 países), Asia (Japón, Taiwán y Corea del Sur) y Chile, funcionará por treinta años.

Nos sentimos orgullosos y contentos de que los nuevos e importantes descubrimientos, como la reciente imagen del primer agujero negro, se hayan logrado desde nuestro país. Los equipos están integrados por astrónomos chilenos, en conjunto con ingenieros y técnicos también chilenos, que aportaron –unidos a ocho radiotelescopios repartidos por el mundo– los datos que permitieron obtener la nítida imagen que conocimos este año.

De trabajar con una base de datos de tamaños de gigabytes hace 30 años (1990-2000), ahora la astronomía pasa en esta década a  funcionar  con  terabytes  (mil  veces  más  grandes) y viene pronto la era de los petabytes (1 millón de veces en tamaño), a partir del 2020; por ello, el LSST será un caso de estudio y de prueba en administración de big data, a escala  de los millones de gigabytes. Los astrónomos requerirán servicios y capacidades computacionales para realizar el procesamiento específico y el análisis que cada usuario solicite.

A algunos astrónomos les interesan los meteoritos en órbitas  en peligro de impacto; a otros las explosiones de supernova, a mí las galaxias enanas, etcétera. Para realizar estas investigaciones tendremos que asociarnos con matemáticos, ingenieros de software, estadísticos y desarrolladores, que permitan extraer y analizar la información de estas enormes bases de datos. Necesitaremos de las herramientas de procesamiento y almacenamiento de datos con técnicas avanzadas de análisis, que hagan uso de inteligencia artificial, machine learning, minería de datos y otros.

La captura de un monstruo

La captura de un monstruo

Aquí vemos la foto captada por una red de telescopios de distintos países, incluido Chile a través del observatorio ALMA, que en conjunto conforman el Telescopio de Horizonte de Eventos (EHT, por sus siglas en inglés). Este logró capturar “en detalle” cómo luce un agujero negro, que es tres millones de veces más grande que la Tierra. Este se ubica en la galaxia Messier 87 (M87), a unos 55 millones de años luz de nuestro planeta. Fotografía EHT Collaboration.

Este crecimiento exponencial de la cantidad de información producirá una nueva forma de hacer ciencia. Hasta ahora, esta se basaba en una hipótesis que había que demostrar; en el futuro, el descubrimiento estará basado en indagar lo que contienen los datos. Y está siendo así en todas las disciplinas del saber.

Esta revolución implica que la astronomía chilena también tendrá que adaptarse y transformarse para seguir liderando los descubrimientos del Cosmos que estos nuevos telescopios nos permitirán. El desarrollo que hoy se ha logrado se basa  en contar con un gran recurso: el acceso de los astrónomos chilenos al 10% del tiempo de los telescopios.

Por otra parte, hemos alcanzado una etapa de desarrollo en la cual podemos pensar en otras formas de participación en proyectos astronómicos. Tenemos varios grupos de astroingeniería en las universidades. A través de ellos, equipos de ingenieros han comenzado a participar en consorcios internacionales que construyen los instrumentos especializados, que se adosan a los telescopios del futuro.

En las próximas décadas, con la movilidad de los datos  que cada día acrecientan su volumen en la “nube”, tenemos que asegurarnos de que no nos quedemos solo como el país donde se obtienen estos datos y se ponen a disposición del mundo, porque no podemos realizar los descubrimientos que ellos esconden.

Todos estos desarrollos benefician el crecimiento del país  y lo posicionan en otras actividades; ya no solo es el cobre y  el vino, sino también los cielos. Eso sí, ser un líder mundial requiere de una inyección importante de nuevos recursos, en cantidades muy superiores a las actuales, para poder competir en las grandes ligas científicas del mundo.

Para leer más

  • Rubio, M. 2004, Revista Universitaria 83,p 61.
  • Pietrzynski, G., et al., 2019, “A distance to the Large Magellanic Cloud that is precise to 1 percent”, Nature, 567, 200.
  • Rubio, M., Elmegreen, B., Hunter, D., et al., 2015, “Dense cloud cores revealed by CO in the low metallicity dwarf galaxy WLM”, Nature 525, 218.
  • Revista Universitaria 139, 2016, p 49.
  • Aguilera y Larraín, 2018, Laboratorios Naturales para Chile, Ediciones Centro Clapes UC.
  • Hashimoto et al., “The onset of star formation 250 million years after the Big Bang”, en revista Nature, 16 de mayo de 2018.