Observatorio de Cosala de la Universidad Autónoma de Sinaloa: red internacional de instrumentos ópticos para observaciones astronómicas y fotométricas (ISON FAC)

Daniel Mendoza Araiza y Tatiana Nikolaevna Kokina

Fecha: 2015-03-01


A raíz del lanzamiento del primer satélite artificial de la Tierra enviado al cosmos por la Unión de Repúblicas Socialistas Soviéticas (URSS) el 4 de Octubre de 1957, se inició el develamiento de los secretos del cosmos aportándose así un gran servicio al conocimiento de la Tierra y su entorno, aunado a que la humanidad utiliza cotidianamente muchos de los avances generados por el desarrollo de la cosmonáutica. No debemos soslayar los éxitos en el estudio e investigación del espacio cósmico cercano a la Tierra y del medio interplanetario, que se manifiestan a través del amplio conocimiento del Sol, la Luna, Marte, Venus, los planetas gigantes y sus satélites, así como de otros cuerpos del sistema solar, además del provechoso estudio de las capas de la atmosfera, la ionosfera y la magnetosfera terrestres. Conjuntamente a lo anterior la utilización del cosmos cercano a la Tierra y la técnica de la cosmonáutica resultaron bastante efectivos en su aplicación a las ciencias de la Tierra y otras ramas del conocimiento aplicadas a la economía de los países. Así, el lanzamiento de aquel primer satélite artificial originó un cambio radical en la vida social, cultural y económica de la humanidad. Este evento representó el primer paso dado por el hombre en el camino hacia las estrellas y el conocimiento del cosmos.

 

 

Satélites artificiales y basura espacial
 
 A la fecha se han lanzado cerca de siete mil satélites artificiales de los cuales aproximadamente mil de ellos están activos y el resto son objetos que han dejado de funcionar convirtiéndose en desechos sólidos, de los cuales todos aquellos que se encuentren arriba de los dos mil kilómetros de altura están destinados a permanecer en órbita indefinidamente, formando parte de lo que hoy conocemos como basura espacial, conformada por todos los objetos artificiales en órbita. Además de los satélites, la basura espacial también incluye las componentes de los cohetes utilizados en las diferentes etapas de propulsión dejados en su camino, y también por los fragmentos generados por las explosiones o las colisiones entre artefactos. Incluso los objetos dejados por los astronautas también han contribuido a contaminar el espacio inmediato a nuestro planeta al perder, durante sus caminatas espaciales, objetos como bolígrafos, guantes, cepillos de dientes, bolsas de basura, un par de cámaras y hasta bolsos con herramientas.
 
Estas piezas de basura espacial de índole muy variada, se suelen clasificar según su tamaño o, mejor dicho, según nuestra capacidad para detectarlos. Con radares y telescopios podemos localizar de forma bastante precisa fragmentos mayores de 10 centímetros (el tamaño de una pelota de beisbol). Los últimos datos recopilados por la NASA indican que existen más de veintidós mil de esas dimensiones. Además, puede haber hasta quinientos mil trozos entre uno y diez centímetros, los cuales son muy difíciles de rastrear, y se estima que el número de esquirlas menores a un centímetro, completamente invisibles para nosotros, puede ser de varios millones. En total, se estima que todos los fragmentos suman más de seis mil toneladas de chatarra.
 
El problema de la basura espacial no es sólo una cuestión de cantidad sino que todos estos fragmentos de chatarra orbitan en torno a nuestro planeta a las enormes velocidades cercanas a treinta mil kilómetros por hora, es decir poco más de ocho kilómetros por segundo. Si uno de esos fragmentos, por muy pequeño que sea, impacta contra un satélite o una nave, puede dañar su cubierta exterior, o inutilizar los sistemas de comunicación.
 
 Actualmente la fuente básica de la formación de basura cósmica en las orbitas es originada por la explosión de aparatos cósmicos y los cohetes impulsores desechados en cada lanzamiento. Los estudios muestran, que dentro del periodo de Octubre de 1957 a Enero del 2007 “han ocurrido 200 explosiones de objetos cósmicos artificiales”, originados por diversas causas, algunos por el incorrecto equipamiento de los motores propulsores y baterías químicas. Las explosiones engendran gran cantidad de pedazos que representan gran peligro y los cuales no pueden ser detectados directamente. En los tiempos de la guerra fría y ensayos de la guerra interestelar las explosiones se debieron a las pruebas que realizaron las grandes potencias con el objetivo de probar sus sistemas de defensa.

 

  

 

La particularidad de la explotación de orbitas geoestacionarias (con limitación de longitud, intensidad de lanzamientos, destrucción de Satélites Artificiales de la Tierra, explosiones de estos, etc.) exigen una investigación especial. El conjunto de estas investigaciones deben considerar el estudio de la migración de la basura cósmica, las leyes generales de la evolución de las nubes de partículas surgidas de las mencionadas explosiones, así como también el estudio del movimiento de los satélites artificiales cuando a estos se les termina su periodo de vida activa y continúan en órbita debido a las leyes de la mecánica celeste.
La investigación de la evolución de los periodos orbitales cortos de las nubes de partículas formadas después de las explosiones, permite observar la caída volumétrica de esos fragmentos dispersos a lo largo de la órbita del cuerpo progenitor, ya que el estudio de la evolución de los fragmentos con periodo largo permite el pronóstico de explosiones futuras.
La importancia general de los pronósticos de la contaminación del espacio cercano a la Tierra, es la predicción del crecimiento irreversible de la basura espacial, sin importar si se toman o no medidas radicales para disminuir intensivamente su formación.
Ante el gran problema tecnológico de la basura espacial las Naciones Unidas en la Asamblea General realizada el 8 de Junio del 2011 en Viena en el 54º periodo de sesiones a través de la Comisión sobre la Utilización del Espacio Ultraterrestre con fines prácticos, declaro lo siguiente:
 
Anexo II.
 
Mandato y métodos de trabajo del Grupo de Trabajo sobre la sostenibilidad a largo plazo de las actividades en el espacio ultraterrestre de la Subcomisión de Asuntos Científicos y Técnicos (resumimos lo más importante)
 
Introducción.
 
En el milenio espacial: la Declaración de Viena sobre el espacio y el desarrollo humano, la Tercera Conferencia de las Naciones Unidas sobre la Exploración y Utilización del Espacio Ultraterrestre con Fines Pacíficos reconoció la importancia de la ciencia y las aplicaciones espaciales para aumentar nuestro conocimiento fundamental del universo y mejorar la vida cotidiana de los habitantes de todo el planeta mediante la vigilancia ambiental, la ordenación de los recursos naturales, los sistemas de alerta temprana destinados a ayudar a reducir los posibles desastres y apoyar la gestión en casos de desastre, los pronósticos meteorológicos, la creación de modelos numéricos del clima y la navegación y las comunicaciones por satélite.
 
Mandato.
 
El Grupo de Trabajo examinará la sostenibilidad a largo plazo de las actividades en el espacio ultraterrestre, en el contexto mas amplio del desarrollo sostenible en la Tierra, incluida la contribución al logro de los Objetivos de Desarrollo del Milenio, teniendo en cuenta las preocupaciones y los informes de todos los países, en particular de los países en desarrollo, y en concordancia con la utilización del espacio ultraterrestre con fines pacíficos.
 
Ámbito de trabajo.
 
En relación con ese tema del programa, el Grupo de Trabajo podría examinar, entre otras, las cuestiones siguientes:Utilización sostenible del espacio para favorecer el desarrollo sostenible en la Tierra:
Contribución de la ciencia y la tecnología espaciales al desarrollo sostenible en la Tierra, alerta temprana de posibles desastres y apoyo a la gestión de las actividades relacionadas con los desastres;
Ampliación del concepto de desarrollo sostenible al ámbito del espacio ultraterrestre, incluyendo el evitar la contaminación de los cuerpos celestes;
Acceso equitativo al espacio ultraterrestre y a los recursos relacionados con él, así como a los beneficios de las actividades en el espacio ultraterrestre para el desarrollo humano;
Cooperación internacional en la utilización del espacio ultraterrestre con fines pacíficos como medio de mejorar la sostenibilidad a largo plazo de las actividades en el espacio ultraterrestre y apoyar el desarrollo sostenible en la Tierra;
Desechos espaciales:
Medidas para reducir la generación y proliferación de desechos espaciales;
Recopilación, intercambio y divulgación de datos sobre los objetos espaciales funcionales y no funcionales;
Notificaciones de reingreso de objetos espaciales importantes, así como también de los objetos espaciales que lleven a bordo sustancias peligrosas;
Innovaciones técnicas y posibilidades en concerniente a la eliminación de los desechos espaciales;
Clima espacial.
 
En concreto el problema del origen, distribución y movimiento de los cuerpos pequeños en el espacio cercano a la Tierra es demasiado complejo y esta lejos de ser resuelto. En la actualidad las investigaciones en este campo constantemente crecen.
Por lo expuesto se ve que la basura cósmica tecnológica y los fragmentos de cuerpos cósmicos naturales e incluso los mismos asteroides representan un peligro para nuestro planeta así como para su ecología.
Por tal motivo países como EUA y Rusia coordinan redes internacionales de estudio para conocer el peligro que representa esta amenaza y en lo posible tomar las medidas de defensa en caso de ser necesario.
 
Por ser nuestra estación parte del ISON FAC resumimos el significado de esta red internacional de monitoreo de Basura Tecnológica Espacial.


En el periodo 2005 – 2012, se ha construido una red mundial de telescopios ópticos ISON FAC, la cual cubre todas las longitudes alrededor del planeta. La red consta de 24 observatorios y estaciones de observación (figura 1). Para equipar a estos observatorios se han preparado 21 instrumentos ópticos modernos con apertura de 19.2 a 60 centímetros y se han adquirido 21 cámaras CCD modernas. La tarea fundamental de la red actualmente consiste en la observación de objetos cósmicos de origen tecnológico y de asteroides, que se acercan a la Tierra. Por primera vez en la historia se realizan mediciones a objetos de basura cósmica a lo largo de toda Órbita Geoestacionaria. Los resultados obtenidos se acumulan y generalizan en el Centro de Control del procesamiento de la ISON que se encuentra en el Centro de Balística del Instituto de Matemáticas Aplicadas M. V. Keldish de la Academia de Ciencias Rusa (en Moscú), donde se han acumulado cerca de siete millones de mediciones hechas a tres mil trecientos objetos ubicados en orbita alta. De estos objetos doce fueron detectados por primera vez por el observatorio de Cosalá. La ISON FAC ha acumulado una colosal información de objetos cuyo cociente entre el área con respecto a la masa es mucho mayor a uno. La cantidad de objetos detectados es tan grande, que se requerirá una revisión de los modelos existentes sobre la distribución dinámica de la basura cósmica en el espacio cercano a la Tierra. Regularmente se realizan observaciones fotométricas a los asteroides. En la red hay tres observatorios de subsistemas de reconocimiento de asteroides situados en Andrushevka, Nuevo México y Cosalá, donde se han detectado dos cometas, dos asteroides cercanos a la Tierra, y seiscientos asteroides pertenecientes al Gran Cinturón de Asteroides. El observatorio Cosalá UAS, en junio del presente año instalo un telescopio de apertura de 40 cm, campo visual de 1º y con el que se detectan objetos espaciales hasta magnitud estelar 20, que pronto iniciara sus operaciones.

 

 

Figura 1. Red de observatorios de instrumentos ópticos de la ISON FAC.

 

 

LA ISON FAC EN NUESTROS DIAS

 

            Actualmente la ISON FAC está constituida por 27 observatorios y estaciones de observación ubicados en 11 países de tres continentes que cubren todas las latitudes del planeta. La red posee 43 telescopios con aperturas que van de 25 cm hasta 2 metros y algunos observatorios tienen un solo telescopio otros dos o tres.

Para alcanzar los diversos objetivos de la ISON FAC se dispone de seis subsistemas:

 

  • para reconocimiento de la orbita geoestacionaria;

  • para acompañamiento de fragmentos de basura cósmica en orbitas altas;

  • para la investigación de fragmentos débiles (basura tecnológica espacial);

  • para la observación especifica de objetos brillantes;

  • para la observación de asteroides;

  • para observaciones fotométricas de satélites.

 

La ISON FAC proporciona a sus asociados:

 

  • un grupo de planificación y análisis de las mediciones en el Instituto de Matemáticas Aplicadas M. V. Keldish de la Academia de Ciencias Rusa;

  • un grupo de apoyo técnico de programación del Observatorio Astronómico del “Centro Científico de Astronomía Proyecto - técnico”;

  • un grupo de producción de telescopios ópticos y monturas automatizadas;

  • un grupo de procesamiento tecnológico para observaciones NII.

 

CARACTERISTICA GENERAL DEL SUBSISTEMA DE RECONOCIMIENTO

 

            Como nuestra estación ha trabajado durante un año en el primer subsistema y ahora se prepara en el de asteroides, únicamente daremos una idea general con lo que concierne al subsistema de reconocimiento.

Este subsistema es operado en quince observatorios y dentro de estos se encuentra el de Cosalá (Sinaloa). En este subsistema los telescopios utilizados tienen aperturas de 22 a 25 cm con campo visual de 3.5 a 5.5 grados (se observan objetos espaciales de magnitud estelar 16) y distancia focal 602 mm. El trabajo realizado en los observatorios que se rigen por este subsistema, consiste en efectuar observaciones en un régimen automatizado cada noche, abriendo en un campo amplio toda la zona visible de la Orbita Satelital Geoestacionaria. Donde cada objeto de hasta magnitud estelar 15.5 es seguido durante treinta minutos, esto permite detectar órbitas de objetos que no están catalogados mediante su reconocimiento en dos noches contiguas. El principio de la planificación se muestra en la figura 2 donde se representa la trayectoria de todos los objetos conocidos que se encuentran en la Orbita Geoestacionaria. Al realizar el reconocimiento, el telescopio debe hacer un doble recorrido a lo largo de su trayectoria. Las barreras (limites) del reconocimiento se eligen de tal manera que estas estén antes y después de la sombra de la Tierra, en la zona, donde los objetos de la Orbita Geoestacionaria son mas brillantes, esto debido al favorable ángulo de fase. En una buena noche en la Orbita Geoestacionaria aparecen cientos de objetos, por lo que el total de acompañamiento de varios observatorios en una noche pueden controlar hasta setecientos setenta y cinco objetos en la Orbita Geoestacionaria, es decir, la mitad de la población conocida. Las observaciones de reconocimiento permiten detectar objetos de lanzamiento nuevos o de realización de maniobras de aparatos espaciales geoestacionarios incluso desde su primera noche de observación. Además, regularmente al mes se detectan de entre diez y quince objetos débiles desconocidos, gracias a la gran variación de su brillo (hasta 10 magnitudes), actualmente la mayoría de los fragmentos han sido detectados con pequeños telescopios. Y así paso a paso el subsistema de reconocimiento del ISON FAC ha dado un enorme apoyo a la información sobre objetos de la Orbita Geoestacionaria, de tal manera que hasta fines del año 2011 se había alcanzado cerca de tres millones de mediciones en trecientos cincuenta mil acompañamientos.

 

 

Figura 2. Determinación de las barreras (limites) para las observaciones de reconocimiento. Los puntos de color violeta señalan a todos los objetos geoestacionarios conocidos, la región verde es la sombra de la Tierra. Los rectángulos de color rosa son los límites que barre el telescopio de reconocimiento en una noche.

 

METODOLOGIA Y METODO DE TRABAJO DEL OBSERVATORIO DE COSALA, SINALOA, MEXICO.

           

Antes de llevar a cabo el proceso de observación, se recibe un archivo de texto, vía correo electrónico, elaborado por el organizador de las observaciones, concretamente del centro de control de la ISON, ubicado en el Departamento de Balística del Instituto de Matemáticas Aplicadas de la Academia de Ciencias Rusa. Este archivo incluye una serie de datos que se integran al programa de la noche de observación, entre los que se encuentran: la fecha, la hora en tiempo UTC dados por el receptor GPS, un numero para cada cuadro o imagen a generar, sus coordenadas, así como el tiempo de exposición de cada fotografía.

 

   Una vez preparado el programa de la noche de observación, y ante buenas condiciones meteorológicas favorables, se inicia la tarea de observación.

 

      A través de un ordenador, se realiza la sincronización entre el archivo que contiene los datos del programa de observación, y el telescopio. Para esto, mediante el software Total Commander se inserta el archivo de texto a la carpeta “ephem” del software CHAOS ubicada en el directorio c:, luego se modifica el archivo del programa de observación, ajustando el tiempo UTC del archivo al del momento de inicio de la observación.

       Se crea un directorio de almacenamiento para el día de observación, en el cual se guardaran todas las imágenes registradas durante la noche. Posteriormente se verifica que los motores y los controladores, que se conectan entre la PC y el telescopio, se encuentran funcionando correctamente.

 

      Luego se inician los software’s Camera Control y el CHAOS; en el primero, se verifica y se ajusta debidamente la temperatura de la cámara CCD, y en el segundo, es donde se inicia el proceso de observación; para esto, primeramente se realiza una prueba de funcionamiento mecánico del telescopio en modo manual, una vez verificado el funcionamiento mecánico adecuado del telescopio, se cambia al modo automático, y se da inicio al proceso de observación.

 

   Al finalizar el proceso de observación, se desconecta la cámara CCD y el ventilador desde el software Camera Control, se cambia el funcionamiento del telescopio a modo manual desde el software CHAOS, y se lleva el tubo del telescopio a una posición cero, hecho esto se cierra el domo del observatorio.

 

     Después se procede a realizar el procesamiento automático de las imágenes (figura 3), esto se hace a través del software Total Commander, se introducen al directorio, en el cual se almacenaron todas las imágenes, tomadas durante la noche, y en él se ejecuta el script Apex_geo_auto.

 

     Posteriormente se realiza el procesamiento manual de las imágenes (figura 4), esto es indispensable pues el procesamiento automatizado solo alcanza a realizar el 80% del material que aparece en las fotografías. Para llevar a cabo este procesamiento de las imágenes, se guarda en una unidad de almacenamiento externa a través del ordenador, la carpeta que contiene a las imágenes generadas de la noche de observación y se envían al departamento de procesamiento, del Centro de Astronomía de la UAS ubicada en Culiacán.

 

   Para llevar a cabo el procesamiento manual de las imágenes se ejecuta la aplicación Target_position del software Apex, en donde se carga el directorio de las imágenes. Una vez cargadas las imágenes, se van desplegando todas las imágenes de una por una, analizando así cada una de ellas, y marcando a través de las herramientas del software, los objetos que posiblemente sean basura espacial.

 

 

Figura 3. Imagen de procesamiento automático.

 

 

Figura 4. Imágenes de procesamiento manual.

 

Hecho el paso anterior con todas las imágenes, se genera un reporte final en un archivo de texto, esto se hace a través del software Total Commander, se ubica en este software el directorio que contiene a las imágenes analizadas, y se ejecuta el script Apex_geo. Ya generado el reporte final, se envía al centro de control de la ISON de las observaciones a Rusia.

 

        Como conclusión podemos decir que este trabajo esta dando grandes resultados (figura 5), los enumeraremos: el observatorio de Cosalá hasta el mes de Abril del 2013 había tomado 314,085 fotografías donde se han detectado por primera vez 12 partículas espaciales; forman astrónomos sinaloenses jóvenes; los responsables del observatorio no solo han adquirido conocimiento en la automatización del software APEX, sino también están capacitados para resolver manualmente los algoritmos matemáticos en la determinación de las coordenadas a los objetos desconocidos, los cuales aparecen en las fotografías bajo el método astrometrico con base a las coordenadas, finalmente, con base a estas coordenadas los observadores saben utilizar los algoritmos matemáticos para diseñar la orbita de dichos objetos desconocidos con base a la teoría del movimiento perturbado.

 

 

 

Figura 5. Resultados de Mayo 2012 a Abril 2013



Etiquetas: Programas,espaciales

Revista Hacia El Espacio de divulgación de la ciencia y tecnología espacial de la Agencia Espacial Mexicana.




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