En abril de 2019, un equipo internacional de más de 300 científicos reveló las primeras imágenes grabadas de un agujero negro, su sombra oscura y su disco naranja vívido se asoman a través de 55 millones de años luz de espacio. La captura de imágenes desde tan lejos requirió la potencia combinada de ocho radiotelescopios en cuatro continentes, trabajando juntos para formar esencialmente un enorme telescopio del tamaño de la Tierra llamado Event Horizon Telescope (EHT).

Los científicos de la NASA y de todo el mundo también utilizan la tecnología que impulsa las imágenes EHT para medir la Tierra. Interferometría basal muy larga, o VLBI, es una técnica que combina formas de onda registradas por dos o más radiotelescopios. Esta versátil herramienta se utiliza no solo en astronomía, sino también geodesia:la ciencia de medir el tamaño de la Tierra, forma, rotación y orientación en el espacio.

Geodesy nos permite ver mapas en nuestros teléfonos, medir las mareas del océano, planear lanzamientos de cohetes, calibrar relojes, pronosticar terremotos, rastrear tsunamis y mantener las órbitas de los satélites. Como herramienta geodésica, VLBI ayuda a los científicos a medir con precisión distancias y topografía y rastrear cambios en la superficie de la Tierra y la rotación a lo largo del tiempo. Científicos del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, y el Observatorio Haystack del MIT en Westford, Massachusetts, fue pionero en el uso geodésico de VLBI en la década de 1960.

Hoy dia, NASA, MIT Haystack y otros socios colaboran para mejorar y expandir las estaciones geodésicas en todo el mundo como parte del Proyecto de Geodesia Espacial (SGP) de la NASA. MIT Haystack sirve como centro para el desarrollo de hardware y software que beneficia tanto a la astronomía como a la geodesia, asociándose con la National Science Foundation para apoyar el EHT y con la NASA para impulsar el SGP. Juntos, esa sinergia contribuyó directamente a la realización de la imagen del agujero negro mientras se trabajaba hacia radiotelescopios más rápidos, más automatización y acceso a múltiples herramientas geodésicas en el mismo lugar, permitiendo mapas más precisos, gráficos rutas de vuelo y órbitas que nunca.

VLBI:Todo sobre esa línea de base

Los radiotelescopios miden ondas de radio. Estas ondas son más débiles y débiles que la luz visible, pero penetran el polvo y los gases interestelares y la interferencia de la propia atmósfera de la Tierra en formas que la luz visible no puede. También brindan a los astrónomos información sobre el espacio que no existe en el espectro visible.

Ver ondas de radio requiere grandes telescopios sensibles. Una matriz VLBI tiene poder de aumento, o "resolución angular, "equivalente a un solo telescopio con un plato tan ancho como la línea de base más larga entre dos telescopios en la matriz. (Por ejemplo, Los telescopios más distantes del EHT estaban separados por más de 7, 000 millas, equivalente a un solo telescopio más del doble de ancho que los Estados Unidos). Cada telescopio en la matriz EHT capturó las ondas de radio emitidas por el agujero negro desde un ángulo único, dependiendo de su ubicación en la Tierra. La suma de todas estas observaciones junto con una potente computadora arrojó las imágenes finales.

En los años 1960, Los científicos de NASA Goddard y MIT Haystack se dieron cuenta de que esta ligera diferencia de perspectiva era una valiosa fuente de información, no solo sobre el espacio, sino sobre la Tierra.

"El principio básico del VLBI geodésico es que las ondas de radio que provienen de una fuente distante golpean una estación antes que la otra, "dijo Stephen Merkowitz, gerente del Proyecto de Geodesia Espacial de la NASA. "Usamos cuásares, que son galaxias activas muy distantes, tan lejos que son puntos fijos en el cielo. Medimos el tiempo de retraso entre el momento en que la señal llega a esos dos puntos, y convertir a distancia usando la velocidad de la luz ".

La rotación de la Tierra hace que cambie el retardo de tiempo entre las señales de cuásar observadas por las estaciones VLBI, permitiendo a los científicos medir con precisión la velocidad de rotación. También pueden usar estos datos para medir la ubicación y la distancia entre las estaciones VLBI, y al repetir estas mediciones a lo largo del tiempo, puede observar incluso diminuto, cambios lentos en la superficie de la Tierra, como la deriva continental.

Quizás la función más importante de VLBI es ayudar a construir los marcos de referencia celestes y terrestres internacionales. El marco de referencia terrestre asigna coordenadas a ubicaciones en la Tierra, incluyendo su centro, proporcionando un marco coherente para relacionar las mediciones entre sí.

"Suponga que tiene una misión que mide el nivel del mar en el Golfo de México y tiene un mareógrafo frente a la costa de Luisiana que también está midiendo el nivel del mar, y desea unirlos para tener algo de verdad sobre el terreno de las observaciones espaciales, ", Dijo Merkowitz." Si no están en el mismo marco de referencia, no puedes hacer eso. Si su marco no es preciso y estable, que introducirá todo tipo de errores en ese empate. Entonces, un buen marco de referencia le permite conectar diferentes conjuntos de datos a través de la geolocalización ".

El marco de referencia celeste tiene un propósito similar, pero en lugar de crear un marco estable para las ubicaciones de la Tierra, crea un marco para localizar objetos astronómicos. Los científicos utilizan los parámetros de orientación de la Tierra:medidas de tiempo, orientación y rotación:para unir los dos marcos. Esto crea un sistema total para geolocalizar objetos en el espacio y en la Tierra.

Un ejemplo de una tecnología cotidiana que depende de estos marcos de referencia es el Sistema de posicionamiento global, o GPS. El GPS se basa en una constelación de satélites que transmiten constantemente sus ubicaciones y horas a dispositivos con GPS en tierra. desde teléfonos celulares hasta equipos agrícolas. Los satélites de la constelación se basan en el marco de referencia terrestre y los parámetros de orientación de la Tierra para transmitir su ubicación, por lo que mantener esos marcos precisos y precisos es esencial para las actividades diarias en todo el mundo.

Cantidades que a veces damos por sentado, como la duración del día de la Tierra y la velocidad a la que gira, no son realmente constantes, Dijo Merkowitz. "Dependen de muchas cosas diferentes, como el clima, movimientos de masas importantes como El Niño o La Niña, y movimientos de grandes cantidades de agua, " él explicó.

Trazando un rumbo para el futuro de Geodesy

Con la Tierra en constante cambio, la geodesia mantiene los mapas precisos, aviones y barcos en curso y mediciones satelitales precisas. De hecho, VLBI y otras herramientas son vitales para satélites de observación de la Tierra como ICESat-2 e instrumentos como GEDI, ambos utilizan pulsos de láser para medir las estructuras de las capas de hielo y los bosques. Sin saber exactamente dónde se encuentran ubicadas las naves espaciales sobre la superficie de la Tierra, los científicos no podrían realizar este tipo de medidas de precisión.

"Cuando realiza una determinación de órbita de precisión para algo como ICESat-2, requiere el marco de referencia como entrada, ", Dijo Merkowitz." ICESat-2 es muy sensible a los errores, así que si el cálculo del centro de la Tierra está desactivado, se traduce en un error en las mediciones científicas. Las misiones en órbita de precisión y las misiones que miden alturas dependen particularmente del marco ".

En 2007, la Academia Nacional de Ciencias informó que la infraestructura de geodesia de la nación estaba envejeciendo demasiado rápido para mantenerse al día con la creciente demanda de datos. Entonces, la NASA lanzó el Proyecto de Geodesia Espacial para desarrollar y desplegar la próxima generación de estaciones geodésicas, que incluye VLBI, así como otras técnicas que utilizan láseres para rastrear satélites con precisión (lo que se denomina rango de láser satelital, o SLR).

Las nuevas estaciones VLBI podrán muestrear en una amplia gama de frecuencias en lugar de solo dos, dándoles más flexibilidad para seguir recopilando datos si hay interferencia de Wi-Fi u otras señales. Su menor tamaño y movimiento más rápido los hará más adaptables a las condiciones atmosféricas, pero para compensar los platos más pequeños (recuerde, con radiotelescopios, mas grande es mejor), tomarán muestras de datos mucho más rápido. Finalmente, Merkowitz dijo:los sistemas podrán recopilar datos las 24 horas del día sin supervisión humana para proporcionar mediciones mucho más rápidas.

La Academia Nacional de Ciencias y otras asociaciones geodésicas internacionales recomiendan que, para obtener los mejores resultados científicos, la Red de Geodesia Espacial actualizada debe tener una precisión de un milímetro, o del grosor de una tarjeta de identificación. También debe ser estable dentro de una décima de milímetro, el ancho de un cabello humano. Esta precisión es crucial para medir el nivel del mar, que aumentan a unos 3,4 milímetros, o 0,13 pulgadas, por año, Dijo Merkowitz.

El proyecto se encuentra en su primera fase:reemplazar las estaciones geodésicas domésticas de la NASA con los sistemas de próxima generación. La NASA instaló recientemente su tercera estación VLBI doméstica en Texas; sus estaciones VLBI de próxima generación en Hawái y Maryland ya están en funcionamiento y realizan mediciones de forma rutinaria.

La NASA también está trabajando con socios internacionales para ayudar a la transición de la red internacional VLBI a la tecnología de próxima generación, Dijo Merkowitz. "La cooperación internacional es vital para el éxito de la geodesia espacial. La medición de los efectos globales requiere una red global, y la NASA no puede hacer esto sola ".

La red de próxima generación admitirá un GPS más preciso, marcos de referencia cada vez más precisos y un mejor soporte para las muchas formas en que usamos los mapas en el mundo actual. Con la ayuda de VLBI, el equipo nos ayudará a saber dónde estamos, y hacia dónde vamos, con aún más precisión en el futuro.