1. ¿Por qué los grandes telescopios cambiaron las lentes por espejos?
Se dice que el primer telescopio usado por Galileo en 1609 tenía una lente objetivo de unos 3,7 cm de diámetro [3]. Después, los telescopios refractores (que usan lentes) se hicieron cada vez más grandes, llegando a los aproximadamente 102 cm del telescopio Yerkes a finales del siglo XIX. Este sigue siendo el mayor telescopio refractor en uso real hasta hoy [3]. Se cree que hay dos razones por las que el crecimiento se detuvo en ese punto.
Una es la distorsión del color. Una sola lente curva la luz de diferentes colores de forma ligeramente distinta, lo que crea colores falsos en los bordes de las estrellas. Esto se llama aberración cromática [1]. En 1668, Newton, en Inglaterra, construyó por primera vez un telescopio reflector que usaba un espejo cóncavo en lugar de lentes para recoger la luz, resolviendo este defecto [1]. La explicación de una réplica de 1924 en el Museo de la Ciencia también indica que Newton eligió el espejo cóncavo para evitar los colores falsos [2]. Como los espejos solo reflejan la luz, no ocurre que los colores se curven de manera diferente.
La otra razón es el peso. Las lentes dejan pasar la luz, por lo que solo pueden sostenerse por los bordes. Se considera que el límite se debe a que, al hacerse grandes, se doblan bajo su propio peso y distorsionan la imagen [3]. Con un espejo, se puede sostener toda la parte trasera de la superficie reflectante. Entonces, ¿hubo alguien en el Japón de la era Edo que construyera telescopios de espejo?
2. Kunimasa Ikkansai, herrero de fusiles japonés, construye un telescopio con espejos de metal
En 1834, Kunimasa Ikkansai (1778-1840), un herrero de fusiles de la aldea de Kuni en la provincia de Omi, construyó un telescopio reflector. El aumento era de aproximadamente 70 veces. Este telescopio, registrado como patrimonio cultural nacional, tiene tanto el espejo principal como el secundario hechos de una aleación especial de aproximadamente 63% de cobre y 37% de estaño [5].
Pulir metal para hacer un espejo, en lugar de vidrio, probablemente fue una habilidad única de los fabricantes de fusiles. Se dice que Ikkansai hizo unos 6 telescopios reflectores, de los cuales 4 sobreviven hasta hoy. Todos son del tipo Gregory, que usa un espejo principal cóncavo parabólico [6]. Según los informes, los espejos principal y secundario se mantienen en estado utilizable incluso hoy, unos 200 años después [6]. Se cuenta que Ikkansai usó este telescopio para observar manchas solares por primera vez en Japón con un telescopio reflector de fabricación propia, y quedan más de 200 bocetos [6]. Como los números exactos de bocetos y días de observación varían según las fuentes, aquí nos quedamos con "más de 200".
Por cierto, los espejos de metal tenían una debilidad: se empañaban fácilmente. ¿Cómo superaron ese problema?
3. Del espejo de metal empañado al espejo de vidrio con plata de Foucault
En 1857, Léon Foucault, en Francia, construyó un telescopio reflector que usaba un espejo de vidrio con plata [4]. Pulió el vidrio en forma esférica y aplicó una capa delgada de plata sobre él. A diferencia de los espejos de metal que se empañaban, si la plata se empañaba, el rendimiento original podía recuperarse volviendo a aplicarla, porque la forma permanecía en el vidrio.
No obstante, algunos documentos indican que Steinheil hizo el primer espejo con plata aplicada en 1856, por lo que no se puede afirmar con certeza quién fue el "primero" [4].
El vidrio se encargaba de la forma y la plata delgada de la luminosidad. Gracias a esta división del trabajo, los espejos pasaron de ser "metal desechable" a "herramientas reparables varias veces". El siguiente problema era que, al hacerse grandes, el peso y el calor deformaban la forma del vidrio.
4. El peso de un espejo de 5 metros: el telescopio Hale y el de 188 cm de Okayama
El espejo principal del telescopio Hale en el monte Palomar, California, tiene un diámetro de 200 pulgadas (aproximadamente 5,1 m) y se completó en 1948. Hasta 1993, fue el telescopio con mayor apertura efectiva del mundo [7].
Se solicitó este espejo a la compañía Corning en 1929 y se hizo de Pyrex, un vidrio que no se expande fácilmente con el calor. Se dice que la parte trasera tenía una forma ondulada (tipo waffle) para reducir el peso [8]. Elegir un vidrio que mantuviera su forma con los cambios de temperatura y aligerar la parte trasera fueron los trucos para crear un espejo grande de una sola pieza.
En Japón, el telescopio reflector de 188 cm del Observatorio Astrofísico de Okayama (ahora Observatorio de Okayama del Observatorio Astronómico Nacional) se completó en 1960. Con un diámetro que era el séptimo mayor del mundo en ese momento, fue llamado "el mayor telescopio de Oriente". Fue fabricado por la empresa inglesa Grubb Parsons [9]. El espejo principal es de Pyrex, con un diámetro efectivo de 1,88 m, un grosor de 0,27 m y un peso de 1,7 toneladas [9]. Si dividimos el diámetro por el grosor, obtenemos aproximadamente 7, por lo que el grosor del espejo es aproximadamente 1/7 del diámetro. Esto muestra que el espejo tenía un grosor considerable para mantener su forma.
Entonces, ¿cómo mantiene su forma un telescopio que redujo ese grosor a aproximadamente 1/41 del diámetro?
5. El espejo de 20 cm de grosor del telescopio Subaru y sus 261 actuadores
El espejo principal del telescopio Subaru tiene un diámetro efectivo de 8,2 m, un grosor de 20 cm y un peso de 22,8 toneladas. Está hecho de vidrio ULE (vidrio de ultra baja expansión térmica). Utiliza una técnica llamada "óptica activa", donde 261 actuadores (dispositivos que empujan o tiran) lo sostienen desde atrás y mantienen su forma constantemente. La precisión de la superficie del espejo es de 0,014 micras [10].
Comparando los números: el diámetro de Subaru es aproximadamente 41 veces su grosor (8,2 ÷ 0,2). El espejo de 188 cm de Okayama es aproximadamente 7 veces (1,88 ÷ 0,27). En términos de relación grosor-diámetro, Subaru es aproximadamente 1/41 y el de Okayama es aproximadamente 1/7. La relación de diámetros efectivos es de aproximadamente 4,4 veces (8,2 ÷ 1,88), y el área de recolección de luz es aproximadamente 19 veces mayor (4,4 al cuadrado). Por otro lado, la página oficial de Subaru no especifica claramente si la posibilidad de hacerlo tan fino se debe únicamente a la óptica activa. Aquí nos quedamos con el hecho cierto de que "se sostiene con 261 actuadores".
La superficie del espejo está cubierta con una película delgada de aluminio, y esta película se vuelve a depositar cada pocos años para mantener alta la reflectividad [11]. La idea de Foucault de "volver a aplicar la plata" continúa hasta hoy.
Aun así, hay un límite para un solo espejo. ¿Qué hacer si se supera la barrera de los 10 metros?
6. Dividir el espejo en piezas alineadas: el telescopio Keck y el telescopio Seimei
El espejo principal del telescopio Keck en Hawái consiste en 36 espejos hexagonales de unos 1,8 m, con 7,5 cm de grosor y un peso de aproximadamente 0,5 toneladas cada uno, dispuestos como un panal de abejas. 168 sensores en los bordes y actuadores de ajuste de posición corrigen las desviaciones 2 veces por segundo [12].
La propuesta de este sistema era que, dado que un espejo único de 10 metros requeriría una estructura de soporte compleja y costos enormes, si la tecnología de espejos segmentados se establecía, no habría un límite esencial para el tamaño de la superficie reflectante [12].
En Japón también, el telescopio Seimei del Observatorio Astronómico de Okayama de la Universidad de Kyoto (diámetro del espejo principal de 3,8 m) es un espejo principal segmentado compuesto por 18 espejos en forma de abanico. En julio de 2024, se confirmó que la altura de cada segmento del espejo estaba alineada con una precisión del orden de la longitud de onda de la luz. Esto corresponde a la primera etapa de la sincronización de fase [13]. Hasta entonces, observaban en un estado llamado "cubo de luz", donde solo se alineaban las posiciones de los focos [13].
Un espejo único fino y espejos divididos y alineados. Vemos que el camino hacia los grandes espejos se ha dividido en dos.
7. Actividad: mide el tamaño y el grosor de un espejo de mano en casa
Lo que puedes hacer hoy: Mide el diámetro y el grosor de un espejo de mano que tengas en casa con una regla. Divide el diámetro por el grosor para obtener "cuántas veces el diámetro es mayor que el grosor" de ese espejo. El espejo de 188 cm de Okayama era aproximadamente 7, y Subaru es aproximadamente 41. Al comparar, puedes sentir cuán fino es el espejo de Subaru.
Además, si reflejas tu cara en la parte cóncava de una cuchara, se verá invertida de arriba abajo. Es un ejemplo cercano de la propiedad de los espejos cóncavos de concentrar la luz en un punto.
Información oficial: En las páginas oficiales del Observatorio Astronómico Nacional y del telescopio Subaru hay fotos y explicaciones de los espejos. Puedes abrirlas desde la sección de fuentes de este artículo.