Unidades de Campo Integral

Cómo obtener una visión 3D de toda una galaxia de una sola vez

Piense en una mosca. ¿Alguna vez ha intentado capturar una? Necesita rapidez, ya que, como la mayoría de los insectos, las moscas pueden detectar movimientos de 360° a su alrededor. El secreto está en sus ojos compuestos, formados por un gran número de diminutos fotorreceptores (llamadas omatidias) que trabajan juntos para dar a una visión de mosaico sumamente amplia. Las hormigas pueden tener desde unas pocas omatidias hasta mil, las moscas y abejas tienen unas cuantas miles, mientras que las mariposas y las libélulas tienen unas pocas decenas de miles. Cuanto mayor sea el número de omatidias, más amplio será el campo de visión del insecto y más aguda su visión.

Usando un principio similar, pero con un propósito completamente diferente, los científicos han desarrollado un instrumento llamado Unidad de Campo Integral (IFU, Integral Field Unit). En un IFU el campo de visión se divide en muchas células o segmentos para obtener una visión completa del conjunto. Las IFUs son ampliamente utilizadas en teledetección (o detección remota terrestre) y más específicamente en la predicción meteorológica y la monitorización en desastres naturales y cambio climático.

Primer plano de una mosca, mostrando los ojos compuestos en detalle. Las gotas de agua actúan como lentes, haciendo que se distingan claramente las facetas. Cada una de estas facetas es la superficie de una omatidia. Esta configuración de ojos compuestos permite que pequeños seres vivos como los insectos tengan grandes detectores visuales (en relación con su área de superficie corporal), lo que les proporcionan un campo de visión muy amplio. Crédito: Alberto Ghizzi Panizza

En astronomía las IFUs se utilizan para estudiar objetos extensos, como nebulosas, galaxias o cúmulos cargados de estrellas o galaxias, en una sola toma, usando una técnica conocida como espectroscopía de campo integral. En este método, la señal de cada celda o píxel del campo se vuelca en un espectrógrafo, que luego genera un espectro para cada pixel individual. Con todos los espectros resultantes se forma un cubo de datos (ver figura 1) que contiene todo el campo de visión en 2D, además de la tercera dimensión obtenida por el espectrógrafo, que divide la luz en sus diferentes colores o longitudes de onda (ver figura 2). Los astrónomos pueden utilizar la riqueza de la información de los espectrógrafos de campo integral para medir, por ejemplo, el movimiento del gas en una galaxia lejana (ver eso1437) o las distancias a las diferentes galaxias detectadas en un campo de visión (ver eso1507).

Figura 1. La extraña galaxia NGC 4650A vista por MUSE.
Crédito: ESO/Consorcio MUSE/R. Bacon/L. Calçada

Figura 2. Imagen de MUSE de NGC 4650A con código de colores.
Crédito: ESO/Consorcio MUS/R. Bacon

Hay diferentes tipos de IFUs que utilizan diferentes técnicas para dividir el campo de visión. Las tres técnicas principales aplicadas en astronomía son:

1. Una matriz de microlentes (muy similar a los ojos compuestos de los insectos).
2. Un haz de fibras, que puede utilizarse solos o en combinación con la matriz de microlentes (ver figura 3).
3. Un rebanador de imagen (ver figura 4).

La primera idea de un IFU surgió de G. Courtes en 1982. Se aplicó por primera vez en astronomía con el instrumento TIGER, que vio su primera luz en 1987 en el telescopio de 3,6 metros CFHT (Canada-France-Hawaii Telescope), en Mauna Kea (Hawái). La IFU de TIGER es una matriz de lentes.

Figura 3. Una ilustración de cómo funciona una IFU.
Crédito: ESO

Figura 4. El principio de espectroscopía de campo integral (IFS, Integral Field Spectroscopy).
Crédito: ESO

En ESO, el primer espectrógrafo de campo integral fue SINFONI, que vio su primera luz en el VLT (Very Large Telescope) en 2004. SINFONI trabaja con un rebanador de imagen, con el mismo principio que el instrumento más reciente MUSE, que tiene una IFU gigante. El espectrógrafo multiobjeto FLAMES también tiene dos unidades de campo integral, mientras que el espectrógrafo infrarrojo de segunda generación, KMOS, tiene 24 IFUs pequeños, cada uno instalado en un brazo desplegable. VIMOS también tiene una IFU bastante amplia, que combina microlentes y un haz de fibras. Todos estos instrumentos tienen características diferentes (son sensibles a diferentes longitudes de onda, tienen diferentes campos de visión y diferentes resoluciones espectrales) lo que les hacen adecuados para la observación de distintos tipos de objetos y resolver diferentes preguntas astronómicas.

Los espectrógrafos de campo integral son cada vez más sofisticados, con detectores más grandes capaces de proporcionar una comprensión 3D más nítida y más profunda del cosmos. Siguienco con la analogía de los insectos, los IFUs evolucionan de hormigas a libélulas.

Hitos científicos

• See FLAMES science highlights.
• See VIMOS science highlights.
• See SINFONI science highlights.
• See MUSE science highlights.
• See KMOS science highlights.

Más imágenes

• Diseño mecánico de una IFU
• El rebanador de imagen de MUSE