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En esta colección de actividades, los estudiantes aprenderán sobre la existencia de la luz más allá de lo que los humanos podemos ver con nuestros ojos, y sobre cómo estos tipos de luz invisible proporcionan a los astrónomos una nueva visión del Universo. Utilizando equipos de laboratorio, los estudiantes experimentarán con luz infrarroja, detectarán la existencia de ondas de radio y comprenderán los principios básicos de la obtención y transferencia de señales y datos de telescopios. También aprenderán cómo todo esto se relaciona con SKAO (abreviatura de Square Kilometre Array Observatory), el mayor radiotelescopio del mundo, actualmente en construcción en áreas remotas de Sudáfrica y Australia. - Imagen de portada: Imagen compuesta de los telescopios y de SKAO y el material necesario para la actividad. Créditos de la imagen anterior: Impresión artística de SKAO.
Para la Actividad 1
Para la Actividad 2
Para la Actividad 3
Para la Actividad 4.
Para la Actividad 5
Figura 1: equipo que puede utilizarse en las actividades
Descubrir la existencia de tipos de luz invisible y de telescopios especiales que los observan para estudiar el Universo.
El espectro electromagnético
Los astrónomos no solo utilizan la luz que podemos ver con nuestros ojos para observar el Universo. De hecho, utilizan diferentes tipos de telescopios en todo el mundo o en el espacio, cada uno sensible a un rango particular de longitudes de onda dentro del espectro electromagnético: rayos gamma, rayos X, ultravioleta, luz visible (el tipo de luz que vemos con nuestros ojos), infrarrojo, microondas y ondas de radio. Estos tipos de luz son idénticos entre sí aparte de su longitud de onda (los rayos gamma son los más cortos y las ondas de radio son las más largas, unas de 100,000 veces más largas que la luz visible).
Cada tipo de luz revela a los astrónomos diferentes fenómenos, dándoles una visión más completa del Universo.
Figura 2: Una visión general del espectro electromagnético. Imagen adaptada de la original. Fuente: Wikimedia Commons. Este archivo tiene licencia bajo el Creative Commons Atribución-Comparte Igual 3.0 Licencia no portada.
¿Qué es SKAO?El 'Observatorio de un Kilómetro Cuadrado (Square Kilometre Array Observatory, SKAO)' es la próxima generación de radiotelescopios, actualmente en construcción. Detectará ondas de radio emitidas por objetos en el espacio. Después de la primera fase de construcción, ya será el telescopio de radio más grande del mundo; sin embargo, se espera que el SKAO se expanda aún más en el futuro.
SKAO será varias veces más sensible y cientos de veces más rápido en mapear el cielo que los mejores telescopios de radio actuales. Estará compuesto por dos instrumentos separados; un telescopio de frecuencia media en Sudáfrica y un telescopio de baja frecuencia en Australia. A su vez, cada uno de estos estará compuesto por muchos telescopios (una matriz), que estarán unidos para funcionar como un solo telescopio potente.
El instrumento sudafricano de frecuencia media estará compuesto por unos 200 platos móviles. Cada uno tendrá aproximadamente 15 metros de diámetro y estarán distribuidos en una distancia de 150 kilómetros.
El instrumento de baja frecuencia en Australia estará compuesto por unas 130,000 antenas. Estas no se moverán físicamente, pero podrán apuntar hacia objetos en el espacio eligiendo direcciones específicas en el cielo.
Figura 3: Imagen compuesta de los telescopios SKAO, combinando instalaciones reales ya instaladas en el sitio con impresiones artísticas. Izquierda: la impresión artística de las futuras antenas SKA-Mid se mezcla con las ya existentes en Sudáfrica. Derecha: la impresión artística de las futuras estaciones SKA-Low se fusionan con el prototipo ya existente en Australia Occidental. Créditos: Impresión artística por SKAO.
Los telescopios están ubicados en áreas remotas de Sudáfrica y Australia para alejarlos de fuentes de interferencia de radio creadas por el ser humano (por ejemplo, teléfonos móviles).
Estarán conectados por enormes redes de fibra óptica que transferirán los datos a los ordenadores centrales en cada sitio.
Es un inmenso proyecto de ingeniería, con muchos desafíos técnicos aún por superar. Participan veinte países de todo el mundo. La sede internacional está ubicada en el Observatorio Jodrell Bank en Cheshire, Reino Unido
SKAO se utilizará para responder preguntas fundamentales de la ciencia y de las leyes de la naturaleza, tales como: ¿cómo se formó y evolucionó el Universo? ¿Es correcta la teoría de la Relatividad General de Einstein? ¿Qué son la ‘materia oscura’ y la ‘energía oscura’? ¿Cuál es el origen del magnetismo cósmico? ¿Hay vida en algún otro lugar del Universo?
Sin embargo, quizás los descubrimientos más significativos que haga el SKAO sean aquellos que no podemos predecir.
Utilizando una cámara infrarroja, se mostrará que hay radiación electromagnética invisible para nuestros ojos y que es posible construir dispositivos para observarla, tal y como lo hará el SKAO.
Una excelente demostración de la existencia de luz que nuestros ojos no pueden ver se basa en el uso de una cámara infrarroja y una bolsa de basura negra común.
Pídele a los estudiantes que pongan un brazo dentro de la bolsa de plástico y lo observen. No podrán ver el brazo ya que la luz visible no puede atravesar la bolsa, que es opaca a nuestros ojos.
Luego pídeles que observen la bolsa de plástico con una cámara infrarroja. Ahora verán el brazo dentro de la bolsa, gracias a las ondas infrarrojas que pueden atravesar la bolsa, haciéndola parecer transparente para la cámara.
Figura 4: Manos en una bolsa de plástico, vistas en luz visible (izquierda) y con una cámara infrarroja (derecha). Créditos: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)
Después de mostrar la existencia de la luz infrarroja, explica a los estudiantes que esto es análogo a cómo los radiotelescopios de SKAO crearán imágenes de radio del Universo. Al igual que la radiación infrarroja, las ondas de radio son indetectables para el ojo humano, pero revelan objetos y fenómenos ocultos en el Universo. Las ondas de radio atraviesan nubes de gas y polvo en el espacio, mientras que la luz visible es bloqueada, permitiendo a los astrónomos observar a través de estas nubes y ver los objetos dentro o detrás de ellas (una hazaña imposible para un telescopio óptico que observa la luz visible).
Utilizarás un detector de RF (radiofrecuencia) para captar ondas de radio, al igual que harán los telescopios del SKAO para observar el Universo.
Las ondas de radio pueden ser un concepto abstracto, ya que son indetectables por el cuerpo humano. Por lo tanto, utilizaremos un detector de RF para detectar las ondas de radio.
Primero, demuestra cómo funciona el detector de RF. Acerque la antena a una fuente de ondas de radio (por ejemplo, un teléfono móvil activo, un walkie-talkie o un micrófono de radio). La antena emitirá un sonido o encenderá una luz cuando detecte las ondas. Esto demuestra la existencia de ondas de radio aunque no podamos verlas con nuestros ojos.
Después de la demostración, los estudiantes podrían recibir detectores de RF y se les podría pedir que exploraran el entorno en busca de áreas con alta y/o baja actividad de radio.
OPCIONAL: si tienes un analizador de espectro, puedes usarlo de manera similar al detector de RF. Captura las ondas de radio locales y muestra un mapa en tiempo real de las frecuencias de radio en la banda de 2.4 GHz (frecuencias de 2,4 GHz a 2,5 GHz). Estas frecuencias se utilizan para comunicaciones inalámbricas, como redes Wi-Fi, señales de teléfonos móviles y Bluetooth. Al igual que el detector de RF, esto se puede utilizar para demostrar la existencia de ondas de radio, así como la necesidad de construir el SKAO en ubicaciones remotas, lejos de áreas con mucho ruido de radio. De hecho, la actividad humana genera mucho 'ruido de radio' a través de la tecnología inalámbrica, que puede cubrir las señales de radio del espacio (mucho más débiles) que el SKAO buscará.
Los estudiantes utilizarán un micrófono parabólico para recopilar y amplificar el sonido, comprendiendo por qué los radiotelescopios usan antenas parabólicas (¡aunque NO DETECTEN SONIDO SINO ONDAS DE RADIO!)
Pide a los estudiantes que utilicen el micrófono para escuchar a alguien hablando en voz baja al otro lado de la habitación. Podrán escuchar el sonido a través de un par de auriculares.
Luego, examina el micrófono y explica que la forma del cuenco enfoca las ondas de sonido hacia el micrófono en el centro. Esto amplifica el sonido, permitiendo que los oyentes que llevan los auriculares escuchen conversaciones desde una distancia bastante lejana. El cuenco tiene la forma de un paraboloide (una parábola en 3D). Esta forma refleja el sonido hacia un punto, llamado el punto focal. El punto focal es donde se encuentra el micrófono. Esto es análogo a los platos del instrumento de frecuencia media SKAO en Sudáfrica, que recogen y enfocan las ondas de radio hacia un detector en el punto focal.
IMPORTANTE: Ten en cuenta que después de usar este equipo, algunos participantes pueden tener la idea errónea de que el SKAO detecta sonido en lugar de ondas de radio (una forma de radiación electromagnética similar a la luz). Por favor, asegúrate de que los participantes sean conscientes de que la demostración en esta actividad es una analogía.
Aviso de Salud y Seguridad: Cuando se usen los auriculares, el micrófono no debe ser expuesto a ruidos fuertes, por ejemplo, a alguien gritando en él. Esto podría causar dolor y/o daño en el oído a la persona que lleva los auriculares.
Utilizarás el código morse para explicar cómo los telescopios transfieren datos con tecnología de fibra óptica.
La luz se puede transmitir a grandes distancias y muy rápidamente (a una velocidad de aproximadamente 200 millones de metros por segundo) utilizando fibras ópticas. Esto se puede demostrar disparando un puntero láser por un cable de fibra óptica y viendo cómo brilla por el otro extremo. Simplemente inserta un extremo del cable de fibra óptica en la punta del láser y enciéndelo.
Entonces, se le pedirá a los estudiantes que envíen un mensaje en código Morse a través del cable a una persona en el otro extremo, encendiendo y apagando el láser (ver el código Morse en la imagen de abajo).
Figura 5: el código morse traduce letras a puntos • (duración de señal corta) y guiones — (duración de señal larga).
La actividad muestra que, al encender y apagar el láser puedes transmitir información digital a través de la fibra a una velocidad muy alta. Esto puede utilizarse para transmitir información en formato binario: cuando la luz está apagada, es un 0, y cuando la luz está encendida, es un 1 (nota, sin embargo, que la luz parpadea miles de veces por segundo a través de los cables de fibra óptica reales).
Figura 6: Luz láser a través de una fibra óptica. Créditos: https://www.thefoa.org/tech/sciproj.htm
Discute con los estudiantes sobre cómo las antenas y platos de SKAO estarán conectados por una vasta red de cables de fibra óptica para transferir los datos desde los detectores individuales hasta una unidad de procesamiento central donde se combinarán. Esto hará que el SKAO funcione como un solo instrumento con mejor nitidez y mayor capacidad para detectar señales débiles que las antenas individuales de las que está compuesto. La cantidad de datos que la red SKAO tendrá que transportar es verdaderamente asombrosa. Solo en la primera fase, SKAO producirá 159 teras de datos por segundo y la información será transportada a través de cables de fibra óptica como la luz visible. ¡SKAO usará suficiente fibra óptica para rodear la Tierra dos veces!
Aviso de Salud y Seguridad: utilizar un puntero láser de clase II (o más débil). Un láser de Clase II significa que el reflejo de parpadear es lo suficientemente rápido para proteger al ojo contra daños por exposición accidental. Sin embargo, daño al ojo todavía podrían ocurrir si hubiera exposición prolongada debido a un mal uso del equipo. Puede preferir que el láser permanezca en posesión de un miembro del personal, o colocarlo en un soporte apuntando en una dirección segura (y llevar la fibra al láser en lugar de al revés). También puedes utilizar letreros advirtiendo a las personas que no apunten los láseres a los ojos.
Los estudiantes intentarán reproducir dos sonidos idénticos al mismo tiempo, comprendiendo lo difícil que es esta tarea.
Utiliza un sistema de sonido que acepte dos entradas simultáneas y conéctalo a dos reproductores de mp3. Los dos reproductores estarán a su vez conectados a un juego de altavoces. Cada mp3 debe estar cargado con el mismo archivo de sonido.
Pídeles a los estudiantes que intenten presionar "play" en ambos reproductores al mismo tiempo, para que los archivos de sonido se reproduzcan sincronizados, mostrando lo difícil que puede ser esta tarea.
Tenga en cuenta que puede haber otras formas de hacer esto, como intentar reproducir el mismo archivo de sonido en dos ordenadores diferentes al mismo tiempo.
En esta actividad, los reproductores mp3 representan dos platos/antenas en la matriz del SKAO y los altavoces representan el combinador central.
¡Para que SKAO funcione como un solo instrumento, las señales de todos los detectores deben estar sincronizadas en menos de una billonésima parte (0.000000000001) de un segundo! De lo contrario, los datos no se sumarán correctamente. En la práctica, para sincronizar las señales de los cientos de antenas o cientos de miles de antenas, el SKAO hará uso de una señal de tiempo muy precisa.
Aviso de salud y seguridad: si el volumen es demasiado alto, la exposición a largo plazo a sonidos fuertes puede causar molestias e incluso daños en la audición de los participantes o de quienes estén dirigiendo la actividad. Esto puede ser especialmente peligroso con estos equipos funcionando en un espacio confinado. Puede que desee evitar que los participantes cambien los niveles de volumen.
Proponemos una serie de preguntas que se pueden utilizar para evaluar la comprensión de los estudiantes sobre la actividad y su contenido. Las preguntas se pueden formular tanto de forma oral como escrita.
Actividad 1¿Por qué las cámaras infrarrojas pueden ver a través de ciertos materiales, como una bolsa de basura negra, mientras que nuestros ojos no pueden? Respuestas: A) Las cámaras infrarrojas emiten una luz especial que hace que todo material sea transparente. B) Las cámaras infrarrojas pueden detectar radiación electromagnética (ondas infrarrojas) que pueden pasar a través de ciertos materiales, a diferencia de la luz visible. C) Las cámaras infrarrojas utilizan una fuente eléctrica más potente que penetra a través de cualquier material. (Respuesta correcta: B)
¿Cómo se relaciona el uso de luz infrarroja en esta actividad con el método de observación del universo de SKAO? Respuestas: A) Ambos dependen de la luz visible para observar y capturar imágenes. B) Ambos utilizan luz infrarroja para ver a través de objetos y materiales en la Tierra. C) Ambos utilizan formas de radiación electromagnética invisibles para el ojo humano (infrarrojo en el caso de la cámara, ondas de radio para el SKAO), para revelar objetos invisibles a nuestros ojos. (La respuesta correcta es C)
Actividad 2
¿Qué característica de las ondas de radio les permite ser detectadas por los detectores de radiofrecuencia, a pesar de ser invisibles para el ojo humano? A) Son una forma de sonido que viaja a través del aire. B) Son un tipo de radiación electromagnética con la que un equipo electrónico específico puede interactuar y detectar. C) Son visibles bajo condiciones de iluminación especial. (La respuesta correcta es B)
¿Por qué es importante que los telescopios de SKAO estén ubicados en áreas remotas? Respuestas: A) Para evitar la contaminación lumínica, que reduce la visibilidad de las estrellas. B) Para estar más cerca de los objetos astronómicos y poder observarlos mejor. C) Para minimizar la interferencia del 'ruido de radio' producido por la tecnología inalámbrica moderna, permitiendo así la detección de las débiles señales de radio del espacio. (La respuesta correcta es C)
Actividad 3
¿Cómo beneficia la forma parabólica de una antena parabólica a la detección de ondas de radio? Respuestas: A) Refleja las ondas de radio hacia un punto focal, amplificando así la señal y facilitando su detección. B) Dispersa las ondas de radio para cubrir un área más grande. C) Convierte las ondas de radio en luz visible para facilitar la observación. (La respuesta correcta es A)
Actividad 4
¿Cómo funciona la transmisión de información digital? Respuestas: A) Enviando información por medio de una onda que cambia suavemente. B) Convirtiendo la información en una serie de unos y ceros, que son enviados como señales. C) Usando sonidos para comunicar mensajes. (La respuesta correcta es B)
¿Por qué la tecnología de fibra óptica es crucial para las necesidades de transmisión de datos de SKAO? Respuesta: A) Permite la transmisión de datos utilizando luz visible, lo cual es menos efectivo que las ondas de radio. B) Es la única tecnología que puede transmitir datos en ausencia de luz. C) Puede transmitir grandes cantidades de datos a alta velocidad y a largas distancias, esencial para manejar los datos generados por SKAO. (La respuesta correcta es C)
Actividad 5
¿Qué es la sincronización en el contexto de la transmisión o el procesamiento de información? Respuestas: A) Es el proceso de mezclar diferentes tipos de información para aumentar su complejidad. B) Es el acto de combinar información de diversas fuentes sin ajustes. C) Es la coordinación de varias señales o acciones para que ocurran al mismo tiempo con precisión y eficiencia. (La respuesta correcta es C)
¿Por qué la sincronización con precisión es vital para SKAO? Respuestas: A) Para garantizar que las señales de diferentes telescopios se puedan combinar con precisión, lo que permite observaciones claras y detalladas del universo. B) Para asegurarse de que todos los telescopios reproduzcan música al mismo tiempo con fines de entretenimiento. C) Para asegurarse de que todos los telescopios estén apuntando en la misma dirección al mismo tiempo. (La respuesta correcta es A)
