Entrevista a Lennart Lindegren

Lennart Lindegren dando una charla sobre principios de astrometría durante la reunión “The science of Gaia and future challenges” en Lund, Suecia el 30 de agosto de 2017.

Hoy, 30 de agosto de 2017, ha empezado en Lund, Suecia, una reunión de tres días denominado “The science of Gaia and future challenges”. Aparte de las charlas y discusiones científicas y técnicas, la reunión también supone la jubilación de Lennart Lindegren, una de las personas que más ha contribuido a la misión Gaia.

La entrevista fue realizada por Stefan Jordan, de Heidelberg, Alemania.

Lennart, la reunión científica de tres días en Lund, Suecia, que conmemora tu jubilación se denomina „The science of Gaia and future challenges“. Antes de que vayamos a la ciencia actual y futura de Gaia, ¿puedes decirnos por qué una misión como Gaia es tan importante para la astronomía?

Lennart Lindegren: Como en toda la ciencia, el progreso en astronomía está marcado por la interrelación entre teoría y observación. Esta interrelación puede tomar diferentes formas. Una de ellas es que mejores observaciones producen datos más precisos, lo cual permite a los astrónomos comprobar y mejorar sus modelos teóricos. Gaia proporcionará por ejemplo distancias muy precisas a estrellas en varios estadios de su evolución. Esto permitirá a los astrónomos calcular la producción total de energía en las estrellas, y compararla con las predicciones teóricas. En última instancia, proporcionará un mejor entendimiento del ciclo de vida de las estrellas. En este ejemplo podría ser suficiente estudiar unos pocos miles de estrellas bien escogidas. Pero aquí surge otro aspecto importante de Gaia: ¿cómo podemos saber que estrellas son más interesantes de estudiar? Para ello necesitamos primero mirar todas las posibles candidatas, que es lo que Gaia hará. Explorando todos los objetos al alcance de su telescopio, Gaia proporciona datos que no están sesgados por nuestra ideas preconcebidas sobre lo que es importante y lo que no. Un tercer aspecto importante es que los astrónomos encontrarán nuevos e inesperados patrones en los datos, descubrimientos que finalmente llevarán a un conocimiento más profundo del universo.

Estuviste implicado en el predecesor de Gaia, HIPPARCOS, un satélite que midió la posición, movimientos y distancias de más de 100.000 estrellas, entre los años 1989 y 1993. ¿Puedes explicarnos cual fue tu trabajo en aquella misión?

Lennart Lindegren: En 1976, mientras todavía era un estudiante de doctorado en Lund, me involucré en  HIPPARCOS gracias a Erik Høg, de Copenhagen, quien era entonces de facto mi director de tesis. El desafío del análisis de los datos de la futura misión y algunas cuestiones sobre la optimización del satélite captaron de inmediato mi interés. Desde 1980, cuando HIPPARCOS fue aprobado por la ESA, trabajé con colegas en el Reino Unido y en Dinamarca en la preparación del NDAC, uno de los tres consorcios de análisis de datos de  HIPPARCOS, y en 1990 sustituí a Erik como líder del NDAC.

¿Cual crees que fue el mayor impacto que tuvo el catálogo HIPPARCOS en la astronomía?
Lennart Lindegren: El astrónomo holandés Adriaan Blaauw comparó  HIPPARCOS con un aspirador gigante. Me gusta bastante esa imagen: en un gran barrido el catálogo elimina gran cantidad de polvo y telarañas que se han ido acumulando en la astronomía a lo largo de más de un siglo. Con esto me refiero a los errores sistemáticos en las posiciones, movimientos y paralajes de las estrellas que habían impedido a los astrónomos obtener el máximo beneficio de los nuevos y potentes telescopios que estaban operativos en esa misma época. La aspiración dejó un suelo sólido y limpio para avances futuros.

¿Cual fue tu motivación para involucrarte en otra misión astrométrica después de HIPPARCOS?

Lennart Lindegren: HIPPARCOS fue un experimento único en su época. Nadie había hecho nada remotamente parecido nunca, y fui muy afortunado de haber formado parte de ello. Al mismo tiempo nos dimos cuenta de que podía ser solo el inicio de un desarrollo mucho más ambicioso. Algunos de nosotros estábamos ansiosos de explorar esas posibilidades y asegurar que HIPPARCOS no quedase como una singularidad. Como siempre, probablemente yo estaba más motivado por los desafíos técnicos y metodológicos de una nueva misión que por la ciencia que podría producir.

Tan pronto como HIPPARCOS finalizó sus medidas, tú y tus colegas hicisteis las primeras propuestas para una nueva misión. ¿Puedes explicar cuales fueron tus ideas y como quedaron respecto al diseño final de Gaia?

Lennart Lindegren: A principios de los 1990s, cuando  HIPPARCOS estaba aun enviando datos a tierra, las cámaras digitales (detectores CCD) estaban ya siendo usadas en el Telescopio Espacial Hubble, y en tierra estaban revolucionando la manera en como los astrónomos utilizaban sus telescopios. Por el contrario, HIPPARCOS estaba basado en la antigua tecnología de los fotomultiplicadores, diseñada una década antes, cuando las CCDs simplemente no eran suficientemente buenas para este propósito. Aunque los fotomultiplicadores hicieron un buen trabajo para HIPPARCOS, eran mucho menos eficientes que las CCDs y podían observar una única estrella a la vez.
Por lo tanto alrededor de 1993 estaba claro que era posible ir más allá de HIPPARCOS simplemente reemplazando los viejos detectores por la última tecnología. Pero para aumentar realmente la precisión de una nueva misión sería necesario también tener un telescopio mayor. Uno de los errores que cometimos entonces fue pensar que una forma barata de incrementar el tamaño del telescopio es usar únicamente las partes más externas del espejo del telescopio, en lo que se denomina interferómetro de Fizeau. De aquí el nombre original de GAIA, un acrónimo de “Global Astrometric Interferometer for Astrophysics”. El concepto incluso proponía dos de dichos interferómetros, conectados en una estructura extremadamente estable. Mirando atrás parece horriblemente complicado y probablemente no funcionaría. Afortunadamente pronto se adoptó una configuración mucho más simple. La misión aun se llama Gaia, pero dado que no hay un interferómetro el nombre no se escribe en mayúsculas. El diseño original (interferométrico) pretendía medir aproximadamente los 50 millones de estrellas más brillantes, mientras que la misión Gaia real observa objetos que son cien veces más débiles, alcanzando entre 20 y 30 veces más estrellas. La precisión proyectada, alrededor de 20 micro-segundos de arco a magnitud 15, es todavía la misma que en la propuesta original. Debería añadir que Gaia no sería posible sin los avances en la tecnología de computación habidos desde HIPPARCOS. Tanto el manejo de los datos a bordo como el subsiguiente análisis de los datos habrían sido casi totalmente imposibles con los ordenadores de los 1980s.

Eres el padre intelectual del método para determinar las posiciones estelares, los movimientos y las paralajes (medidas de la distancia) a partir de las medidas individuales del satélite Gaia. ¿Puedes explicarnos de una forma simple como funciona la Solución Astrométrica Iterativa Global (Astrometric Global Iterative Solution) AGIS?

Lennart Lindegren: La idea es construir primero una malla de quizá 10 millones de estrellas, cubriendo totalmente la esfera celeste. Son las llamadas fuentes primarias. Al final, todas las estrellas, asteroides y galaxias observados por Gaia se vinculan a esta malla. En cualquier instante, la cámara digital de Gaia “ve” una pequeña parte del cielo, que contiene unos pocos cientos de fuentes primarias, y sus localizaciones en el sistema de referencia de la cámara pueden ser determinadas. Para construir la malla, todas las posiciones de las fuentes primarias han de ser combinadas en el ordenador. El problema es que estas posiciones se miden en el sistema de referencia de la cámara, y para transladarlas a posiciones en el cielo uno debe saber donde apunta exactamente la cámara en todo momento, y la disposición geométrica de los detectores, la distorsión óptica, etc. Matemáticamente hablando, tenemos un modelo de las observaciones con muchas incógnitas, o parámetros, que describen no solo las fuentes primarias – sus posiciones, paralajes y movimientos propios – sinó también la posición de apuntado de la cámara, las distorsiones, etc.  La Solución Astrométrica Iterativa Global es una forma de encontrar la combinación de todos los parámetros que mejor “explica” las observaciones de las fuentes primarias. De una manera simple puedes imaginarlo como resolver un rompecabezas gigante que cubre toda la superficie de un globo – la esfera celeste. Las piezas son las observaciones individuales, que deben encajar todas juntas para cubrir la totalidad del globo. Para tener en cuenta las distorsiones de la cámara y otros efectos de calibración podrías tener que ajustar el tamaño y forma de las piezas, pero solo hay una forma de hacer que se ajusten en todas partes. Esto explica porque AGIS es “Global”. Es también iterativo, lo que significa que el ajuste no se realiza de una única vez, sinó en pequeños pasos o iteraciones. Con cada iteración el ajuste es un poco mejor, hasta que después de unas 100 iteraciones ya no mejora más. En ese momento  tenemos la solución primaria deseada. Para vincular las observaciones de las otras fuentes a esta malla simplemente hay que aplicar el apuntado de la cámara y las calibraciones que se han determinado para la solución primaria.

En septiembre del año pasado se publicó el primer catálogo de Gaia. El Gaia Data Release 1 no solo contiene posiciones de más de mil millones de estrellas de nuestra Via Láctea y más allá, sinó también, más de dos millones de estrellas cuyos movimientos y paralajes han podido ser determinados. ¿Cómo fue posible determinar estos importantes parámetros astrométricos usando tan solo 11 meses de datos de Gaia?

Lennart Lindegren: Obtener toda la información a partir de un periodo de tiempo tan corto de datos es difícil, ya que se necesita un cierto número mínimo de observaciones de cada estrella para ejecutar AGIS satisfactoriamente. Para el catálogo final tendremos al menos cinco años de observaciones, lo cual da para cada estrella más observaciones que el mínimo requerido. Con 11 meses una solución es marginalmente posible, pero podría no ser muy útil ya que la determinación de los movimientos propios sería muy pobre, lo cual a su vez provoca que las determinaciones de las paralajes sean también pobres.  Lo que hicimos pues fue usar los dos millones de estrellas más brillantes como fuentes primarias y combinarlas con sus posiciones alrededor de 1991, tal y como las determinó el satélite HIPPARCOS y que están disponibles en el catálogo TYCHO-2. La combinación de las antiguas posiciones de HIPPARCOS con los nuevos datos de Gaia dan una buena determinación del movimiento propio de estas estrellas y, a partir de ahí, de su paralaje. Sin embargo, esta solución, denominada Tycho-Gaia Astrometric Solution (TGAS) fue especial para el Gaia Data Release 1 – las futuras versiones del catálogo estarán basados exclusivamente en datos de Gaia.

Estas muy involucrado en la producción del segundo Gaia Data Release, programado  para abril de 2018. ¿Qué se puede esperar de este segundo catálogo de Gaia y cuales son los mayores desafíos a los que te has enfrentado?

Lennart Lindegren: El segundo catálogo estará basado en casi dos años completos de observaciones de Gaia. Esto significa que no hay necesidad de depender de los datos anteriores de HIPPARCOS, y no estamos limitados a los dos millones de estrellas más brillantes. Gaia DR2 dará posiciones, paralajes y movimientos propios para más de mil millones de estrellas, incluyendo información fotométrica – magnitudes y colores – y en algunos casos también determinaciones espectroscópicas de la velocidad radial. Las futuras entregas de datos serán mucho más precisas, y contendrán muchos otros tipos de datos, pero con DR2 será la primera vez que la comunidad tendrá consciencia de todo el potencial de Gaia. Es un gran avance respecto a DR1. Cada nueva entrega de datos conlleva nuevos desafíos. Con la acumulación continua de datos, la solución de AGIS se hace mejor cada vez, lo cual exige más tanto a los ordenadores como a las personas. Las soluciones cada vez mejores revelan nuevos y sutiles detalles sobre como se comportan los instrumentos, que necesitan ser analizados y entendidos, e incorporados en futuras soluciones. Por lo tanto el análisis está en un desarrollo continuo. Esto es difícil y requiere mucho tiempo, pero es un trabajo fascinante.

¿Qué nueva ciencia se puede esperar del Gaia DR2?

Lennart Lindegren: Uno de los puntos fuertes de Gaia es que es útil para muchas áreas diferentes de la astrofísica. Esto hace difícil predecir que nueva ciencia habrá. Sin embargo, yo espero algunos resultados muy interesantes a partir del mapeado detallado de las estrellas y como se mueven en “nuestra” parte de la Galaxia, a unos pocos miles de años luz del Sol. Esto podría arrojar alguna luz sobre como funcionan los brazos espirales y la distribución de la misteriosa materia oscura.

 

Ahora que estás oficialmente jubilado, todavía seguirás con tu trabajo en Gaia. ¿Por qué es este trabajo tan fascinante para ti? ¿Cual será tu implicación en los futuros desafíos de la misión Gaia?
Lennart Lindegren: Como he mencionado antes, me fascinan varios aspectos técnicos, en particular tratar de entender como funciona Gaia y como este entendimiento puede ser usado para mejorar sus resultados finales. Este es el motivo de que el momento actual sea tan excitante. Estamos aprendiendo a conocer el instrumento al nivel necesario para alcanzar la precisión final pretendida, o quizá incluso mejor. ¡Y podemos ver el magnífico instrumento que es Gaia! Es realmente un privilegio estar implicado en este trabajo, que espero duré muchos más años.

La entrevista está también publicada en la página de Gaia de ESA.