1. INTRODUCCION

Desde los inicios de la humanidad, el cielo ha sido estudiado con interés y curiosidad y, hasta hace muy poco, como algo estático, o que cambiaba muy lentamente, porque la instrumentación disponible no permitía observar de forma inmediata y con la profundidad suficiente para poder apreciar la evolución de fenómenos transitorios.

Sin embargo, al amparo de la carrera espacial, los satélites científicos permitieron explorar otras longitudes de onda más allá del visible, de modo que en 1969 los satélites estadounidenses de la serie VELA1 recogieron en sus detectores 16 aumentos muy fuertes del número de fotones gamma por encima del nivel de fondo procedentes de fuentes exteriores al Sistema Solar. Tras estudiar estos aumentos, Ray Klebesadel, Ian Strong y Roy Olson (1973) anunciaron el descubrimiento de los estallidos cósmicos de rayos gamma (o GRB, acrónimo de Gamma-Ray Bursts).

 

2. LAS EXPLOSIONES DE RAYOS CÓSMICOS Y LA ESCALA DE DISTANCIAS

Los GRB aparecen como breves estallidos de fotones cósmicos de alta energía (≥ 0,1 millones de electronvoltios), distribuidos isotrópicamente en la esfera celeste, lo que apuntó a su origen cósmico ya en la década de 1980. Desde entonces, grupos de científicos e ingenieros de todo el mundo empezaron a desarrollar nuevos instrumentos para estudiar el fenómeno. En la actualidad se detectan a un ritmo de unos 100 al año, en gran parte gracias al satélite Swift, construido a tal efecto. La aparición de GRBs no es periódica, pero los eventos muestran una estructura temporal: El ~25% son cortos (con una duración media de 0,2 s) y de espectro duro, frente al ~75% que son largos (con una duración media de 30 s) y de espectro más suave.

Un paso fundamental para profundizar en el conocimiento de los GRB fue la detección de homólogos, en otras longitudes de onda, asociados al fenómeno, y en particular en rayos X (como inició el satélite BeppoSAX en 1997), conocidos como "afterglow". Esto permitió descubrir las primeras en el visible ya ese mismo año. La luminosidad de las homólogas visibles disminuye según una ley de potencia con L α t^α (donde -1,1 < α < -2,0). Desde entonces, pueden resumirse los siguientes logros de nuestro equipo en este campo:

 

 

1. El primer estudio multirrango del GRB homólogo (980508), se logró tanto en tierra (desde longitudes milimétricas hasta el óptico) como en el espacio (ISO en el infrarrojo medio y HST en el óptico). El espectro óptico del telescopio CAHA de 2,2 m, el primero obtenido para un GRB, no mostró líneas de emisión ni variaciones a escalas diminutas. Según las predicciones de los modelos de bólidos para esta emisión de múltiples rangos (afterglow), la intensidad debería aumentar monotónicamente hasta el máximo, por lo que sugerimos que un mecanismo físico diferente debe ser responsable de la fase de brillo constante detectada. Observaciones posteriores con el telescopio Herschel de 4,2 m en La Palma indicaron la presencia de un objeto subyacente de brillo constante que identificamos como la galaxia anfitriona donde se produjo el GRB, confirmando los resultados espectroscópicos (z = 0,8) obtenidos por otro equipo con el telescopio Keck de 10 m: Los GRB se producen a distancias cosmológicas.

2. Un estudio óptico detallado del GRB 990123 reveló una desviación de 2 días en la curva de luz del residuo óptico, que se interpretó como la existencia de emisión colimada, y se confirmó posteriormente. El desplazamiento al rojo derivado del espectro (z = 1,6) implicaba una energía liberada durante el estallido de 1054 erg. Se utilizaron observaciones polarimétricas y milimétricas para determinar el máximo de emisión en el espectro multirrango y permitir la localización de las tres zonas donde se generan los campos magnéticos.

3. Indicación de la presencia de una supernova (SN) subyacente en el GRB 980326 y posteriormente en el GRB 991208. En este sentido, la relación de los GRBs de larga duración con SNs muy energéticas se confirmó con el descubrimiento del GRB 030329 por el satélite HETE-2. Se trata del GRB "clásico" más cercano detectado hasta la fecha (Fig. 1). Se trata del GRB "clásico" más cercano detectado hasta la fecha (Fig. 1). Con el paso de los días, el espectro óptico de ley de potencia típico del resplandor posterior inicial reveló el espectro típico de una supernova (SN 2003dh) similar a la energética SN 1998bw (prototipo de la nueva clase de las llamadas "hipernovas"), no dejando lugar a dudas sobre la conexión SN-GRB de larga duración, apuntando al hecho de que el colapso de estrellas masivas está estrechamente ligado a esta clase de GRBs. Esto fue confirmado posteriormente por nuestras observaciones espectroscópicas y polarimétricas del GRB 060218/SN2006aj.

4. Detección del objeto más lejano del Universo (hasta la fecha), el GRB 090423, visible sólo en el IR cercano a un desplazamiento al rojo z = 8,2, lo que significa que hace unos 13.000 millones de años se produjo un colapso estelar del que nos ha llegado el eco tras viajar por el espacio durante todo ese tiempo.

 

 

3. POR QUÉ UNA RED DE TELESCOPIOS ROBOTIZADOS.

The BOOTES project was one of the first to be developed to fill the gap in fast variability astronomy. If we add to this technology the ability to analyse the images obtained in real time, BOOTES becomes one of the most suitable and powerful instruments for the investigation of the Universe.

El nombre latino de la constelación de la Boya, BOOTES, sirve de acrónimo, en varios idiomas2 , para el Proyecto. BOOTES nació como el primer observatorio robótico de nuestro país, fruto de una colaboración internacional3 en Astrofísica de Altas Energías, y fue concebido por el autor de este artículo en 1996. El resto del equipo estaba formado por científicos e ingenieros de institutos españoles y checos, a los que se han ido sumando científicos y tecnólogos de otros países (Irlanda, Ucrania, Venezuela) a lo largo de los años. Su principal razón de ser es la observación de contrapartidas en el visible de los GRBs, pero los objetivos científicos son variados, desde la observación diaria de objetos muy variables en nuestra Galaxia y otras galaxias hasta el apoyo en tierra a satélites científicos como el observatorio de rayos gamma INTEGRAL de la ESA (Agencia Espacial Europea), como veremos más adelante.

Así, BOOTES se diseñó en 1996 para responder de forma instantánea y automática, inicialmente mediante dos cámaras de gran campo (16º x 11º) compuestas por detectores CCD de 1024 x 1024 píxeles (SBIG ST-8) acoplados a objetivos fotográficos de 50 mm (a f/2,0). Una tercera cámara CCD de idénticas características se acopló a un telescopio de 0,2 m de diámetro. A bordo del observatorio de rayos gamma Compton, los 8 detectores BATSE proporcionaban posiciones imprecisas de los GRB, con errores de varios grados de radio, de modo que las cámaras de campo amplio BOOTES podían tomar imágenes de estas zonas hasta un límite de magnitud 12. Imágenes más profundas se obtendrían a través del propio telescopio, alcanzando una magnitud límite de 18, aunque obviamente sólo cubrirían una ínfima parte de la zona de error. La primera luz se obtuvo en julio de 1998 y, desde entonces, los avances tecnológicos en el desarrollo del proyecto han continuado año tras año.

Aunque BOOTES se concibió originalmente como un instrumento para la investigación de GRB, también ha participado en el estudio de tormentas de meteoros, registrando un gran número de bolas de fuego e incluso otros fenómenos más peculiares que en algunos casos llegaron a causar confusión entre la población.

Durante los primeros cuatro años de funcionamiento, se ha generado una gran base de datos fotométricos (principalmente en banda I) de más de 100 Gbytes en la que buscar objetos que presenten variaciones de periodo corto en varios campos seleccionados por encima de la declinación -40º.

3.1. Scientific objectives

Aunque en los últimos años se han ido acumulando nuevas pruebas de la relación de los GRBs de larga vida con el colapso de estrellas supermasivas, muchos detalles sobre el proceso y, sobre todo, el origen de los GRBs de corta vida siguen siendo un enigma. Para resolverlo, es de suma importancia poder realizar observaciones de seguimiento casi simultáneas con el fin de detectar la emisión transitoria asociada a ellos. BOOTES es un instrumento diseñado para este tipo de observaciones de seguimiento cuasi-simultáneas, por lo que está contribuyendo eficazmente a nuestro conocimiento de estos esquivos fenómenos. Los principales objetivos científicos del proyecto son:

• Observaciones simultáneas y casi simultáneas de las zonas de error de los GRB. En algunos casos, las imágenes simultáneas en el visible pueden revelar contrapartidas muy brillantes (magnitud 9 como en el caso del GRB 990123 o incluso magnitud 5 como en el caso del GRB 080319), ya que la emisión transitoria detectada tras el evento es sólo consecuencia del remanente en expansión dejado por el objeto. Este remanente nos proporciona información sobre su entorno, pero no sobre el objeto en sí).
• Detección de llamaradas ópticas de origen cósmico: Las que podrían no estar relacionadas con GRB consistirían en un nuevo tipo de fenómeno astrofísico (quizá relacionado con objetos cuasiestelares y otros núcleos galácticos activos o estrellas corona activas -enanas con líneas de emisión-). En los casos en que estén relacionados con GRB, varios modelos teóricos predicen que habría muchos sucesos con emisión sólo transitoria en rayos X y visible, porque la emisión en banda gamma está confinada a una estructura en chorro.

Además, hay importantes campos científicos secundarios que también pueden desarrollarse al amparo del proyecto, entre ellos:

• Ocultaciones de asteroides en estrellas para determinar diversos parámetros.
• Detección de planetas extrasolares por el método del tránsito o mediante técnicas de microlente gravitacional.
• Observación regular de objetos transitorios y variables de nuestra Galaxia, como estrellas variables de diversas clases (Algol, Mira, AM Her, delta Scuti, etc.) e incluso novas.
• Observación regular de supernovas descubiertas previamente en otros observatorios para seguir sus curvas de luz, etc.
• Observación regular de blazares.

 

 

3.2. Las estaciones robotizadas del Proyecto BOOTES en España

Nuestro grupo es pionero en España en el campo de la astrofísica robótica. Así, bajo los auspicios del INTA inicialmente y del IAA-CSIC después, se diseñaron y construyeron las dos primeras estaciones de observación BOOTES, que se encuentran en Andalucía.

La primera (BOOTES-1) se encuentra en el Centro de Experimentación Arenosillo del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) en Mazagón, Huelva. La segunda estación se encuentra en la Estación Experimental La Mayora del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en Algarrobo Costa, Málaga. La coordinación de ambas estaciones y su explotación científica se realiza desde el Instituto de Astrofísica de Andalucía del CSIC en Granada.

En 2001 BOOTES se amplió con una segunda estación situada a 200 km: BOOTES-2 en la estación experimental del CSIC de La Mayora. Como complemento a esta investigación, en 2002 desarrollamos una cámara todo cielo cuyo diseño fue patentado en 2005 y licenciado a una empresa española en 2007.

La razón por la que BOOTES-1 está situada en Mazagón (Huelva), mientras que BOOTES-2 se encuentra en Algarrobo Costa (Málaga) no es casual. Aparte del gran número de noches despejadas en estas dos localidades andaluzas, el hecho de que las dos estaciones estén separadas por 240 km es importante. Al utilizar idéntica instrumentación y observar simultáneamente el mismo campo del cielo, BOOTES obtiene una visión estereoscópica, de modo que puede, mediante paralaje, discriminar aquellas fuentes detectadas cuyo origen se encuentra próximo a la Tierra (< 106 km).

Los elementos que componen actualmente el equipo BOOTES-1 de Arenosillo (Huelva) son:

BOOTES-1A: telescopio reflector Schmidt-Cassegrain (Ø = 0,2-m f/6,3), con cámara CCD MI de 1524 x 1024 en foco Cassegrain acoplada al tubo óptico, con campo de 30′ x 20′. Próximamente será sustituido para albergar el prototipo del experimento "Pi-of-the-Sky North" en colaboración con la Universidad de Varsovia (Polonia).

BOOTES-1B: telescopio reflector Schmidt-Cassegrain (Ø = 0,3-m f/10), con una cámara MI CCD de 1524 x 1024 pix en foco Cassegrain, con un campo de 20'x13′, y la cámara "todo cielo" CASANDRA-1 con un CCD Alta U16 de 4096 x 4096 pix. También dispone de un objetivo de 400 mm acoplado a un CCD Alta U16 de 4096 x 4096 píxeles, que cubre un campo de 5º x 5º.

Al amparo de este observatorio robótico inteligente, se celebró en Mazagón -donde se ubica la estación BOOTES-1- el "I Encuentro Nacional de Astrofísica Robótica" en 2004, germen del "Workshop on Robotic Autonomous Observatory" celebrado en Málaga a nivel internacional en 2009.

Los elementos que componen actualmente la estación científica BOOTES-2 en Algarrobo Costa (Málaga) son: TELMA (TELescopio MAlaga): Telescopio reflector Schmidt-Cassegrain (Ø = 0,6-m f/10), con montura ultrarrápida NTM-502 (tipo alemán), con cámara de lectura de alta velocidad Andor Ixon DU-888 acoplada al foco Cassegrain, con filtros g'r'i'ZY, y campo de 10′ x 10′, y la cámara "todo cielo" CASANDRA-2 equipada con un CCD Alta U16 de 4096 x 4096 pix. Véase la fig. 4.

Para ampliar sus objetivos científicos, en 2004 se inauguró la estación BOOTES-IR en el Observatorio de Sierra Nevada en Granada, con un telescopio reflector Schmidt-Cassegrain (Ø = 0,6-m f/10), con montura altazimutal ultrarrápida y una cámara BIRCAM optimizada para el infrarrojo cercano, con un detector de 1024 x 1024 píxeles y filtros JHKs, y un campo de 13′ x 13′. La primera luz IR se obtuvo en 2007.

3.3 Expansión a otras partes del mundo

En febrero de 2009 y con la presencia del embajador de España en Nueva Zelanda, inauguramos una estación astronómica robotizada gemela a la española BOOTES-2, en la Isla Sur de Nueva Zelanda (BOOTES-3), con lo que ya podemos tener acceso al hemisferio sur pudiendo responder a alertas de satélites de forma autónoma. Los elementos que componen actualmente la estación científica BOOTES-3 en Blenheim (Nueva Zelanda) son: Telescopio YA (Yock-Allen telescope): un telescopio reflector Schmidt-Cassegrain (Ø = 0,6-m f/10), con una montura ultrarrápida NTM-502, una cámara de alta velocidad Andor Ixon DU-888 acoplada al foco Cassegrain, con filtros g'r'i'ZY, y un campo de 10′ x 10′, y la cámara "todo cielo" CASANDRA-3 con un CCD Alta U16 de 4096 x 4096 píxeles. Véase la Fig. 5.

 

 

3.4. Resultados científicos

Desde la primera luz en 1998, se han obtenido observaciones de más de 100 GRBs hasta la fecha, a veces comenzando tan pronto como 30 s después del inicio del GRB. Se ha publicado un gran número de circulares GCN, así como una decena de artículos publicados en revistas especializadas. Los dos resultados más importantes son la detección de una fuente transitoria en el visible, candidata a ser la contrapartida del GRB de corta duración GRB 000313 (Fig. 6), y las observaciones simultáneas de sucesos en el borde del Universo observable: GRB 050904 y GRB 090423.

Además de las observaciones en el campo de los GRB, BOOTES colabora en el estudio de microlentes gravitacionales, seguimiento de objetos variables (como blazares), etc. Asimismo, las cámaras CASANDRA forman parte de la Red Española de Meteoros y Bólidos (SPMN). Estos estudios incluyen observaciones en doble estación y la evolución de las estelas de meteoros en la alta atmósfera.

 

 

 

3.5 Objetivos futuros

Continuará el desarrollo de nueva instrumentación para BOOTES. En la actualidad estamos desarrollando el espectrógrafo de baja resolución COLORES, que esperamos implantar en 2011 en el foco Cassegrain del telescopio TELMA de 0,6 m de diámetro en la estación astronómica BOOTES-2.

Del mismo modo, se está trabajando en la idea de una Red Mundial de Telescopios Robóticos, con la estación astronómica robótica BOOTES-4, hermanada con BOOTES-2 en España y BOOTES-3 en Nueva Zelanda, que se instalará en Siberia (Rusia) en mayo de 2011.

En junio de 2011 organizaremos el "II Workshop on Robotic Autonomous Observatory" que también se celebrará en Málaga.

Asimismo, y en colaboración con otras instituciones (Universidad de Varsovia, Polonia, y el Observatorio Astrofísico Especial de la Academia Rusa de las Ciencias) tenemos la intención de instalar en un futuro próximo dos prototipos ("Pi-of-the-Sky North" y "MegaTortora") para que la Estación BOOTES-1 se convierta en una referencia para la Astronomía de Grandes Campos en el Hemisferio Norte.

 

4. RESUMEN

El seguimiento y estudio de los estallidos cósmicos de rayos gamma es uno de los campos de la astrofísica donde la contribución de los astrónomos no profesionales puede ser mayor, debido a la alta posibilidad de detectar el resplandor óptico posterior de los GRB si actuamos con la suficiente rapidez para observarlo tan pronto como la emisión inicial de rayos gamma se haya localizado en el cielo.

Dentro del ámbito del Proyecto BOOTES, pretendemos dedicar parte del tiempo de observación (tanto BOOTES-2 como BOOTES-3) a ciencia ciudadana y divulgación a través de Internet en el marco del Proyecto GLORIA solicitado en el marco del programa FP-7 de la UE y por tanto uno de nuestros deseos sería que la comunidad no profesional en España se beneficiara de ello.