Telescopios, visión cósmica

Una nueva generación de telescopios gigantes dirigirá nuestra mirada hasta los confines del universo. Descubre las fotografías de Joe McNally.

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El Gran Telescopio Binocular (LBT, Large Binocular Telescope) situado en Arizona, dotado de espejos gemelos, producirá imágenes diez veces más nítidas que las del Telescopio Espacial Hubble (HST, Hubble Space Telescope).

Joe McNally

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Los dos espejos de 8,4 metros del Gran Telescopio Binocular del monte Graham, al noreste de Tucson, Arizona, se pueden situar en posición horizontal, para orientarlos directamente hacia el espacio, a través de la cúpula abierta del observatorio. También se pueden colocar en posición vertical, orientados al horizonte, y girar 360 grados, por lo que el telescopio se puede orientar hacia cualquier punto del cielo. Juntos, los dos espejos producirán imágenes con la resolución de un telescopio de 22,8 metros.

Joe McNally

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Una ventana al Universo

Dispersas a través de 128 monitores de la instalación de Supercomputación Avanzada de la NASA, en California, nebulosas en falsos colores rojos y verdes se extienden por una vasta región de nuestra galaxia. Este sistema de visualización, llamado hyperwall-2, permite a los investigadores ver y analizar cantidades enormes de datos procedentes de los telescopios más nuevos.

Joe McNally

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Los comienzos

Hace 400 años Galileo creó la astronomía moderna con el más humilde de los instrumentos, hoy conservado en el Museo de Historia de la Ciencia de Florencia. La lente de 38 milímetros expuesta en un ornamentado marco (izquierda) fue pulida en 1609 por el astrónomo. Le siguieron otras. Montadas en sencillos tubos de madera de un metro de largo, las lentes de Galileo ampliaban los objetos celestes y permitían ver mejor la Luna, manchas solares y planetas cercanos.

Joe McNally

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Fábrica de espejos

Sobre un molde de celdas hexagonales de la Universidad de Arizona se ponen trozos de vidrio de 5 kilos. Las celdas huecas ayudan a producir un espejo ligero que se ajustará con mayor rapidez a los cambios de temperatura.
 

Joe McNally

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Mientras el vidrio se funde, el molde gira para crear una superficie cóncava que capte la luz distante y la refleje en el interior del telescopio

Joe McNally

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La importancia de los detalles
Bajo el estadio de fútbol americano de la Universidad de Arizona, un técnico examina la superficie del espejo de 8,4 metros del Gran Telescopio para Rastreos Sinópticos. A lo largo de varios meses, el proceso de pulido dará al cristal la forma cóncava requerida, con un margen de error de menos de una millonésima de centímetro. Una fina capa de aluminio creará la superficie reflectora.

Joe McNally

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Las manos enguantadas de un investigador sostienen un delicado sensor con 111 millones de píxeles sensibles a la luz, en una sala libre de polvo y de electricidad estática, en el Laboratorio de Tecnología de la Imagen de la Universidad de Arizona. Para fabricarlo, hicieron falta más de 100.000 euros y varios meses de trabajo. Dos de estos sensores se instalarán en una de las cámaras del Gran Telescopio Binocular.

Joe McNally

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Camiones enormes transportarán al desierto chileno 66 antenas de 12 y 7 metros de diámetro, para formar un único radiotelescopio gigantesco, que ocupará varios kilómetros.

Pascal Martínez / ESO

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La estación de radioastronomía de Atacama, vista aquí en un modelo, reunirá datos procedentes de las nubes de polvo y gas donde nacen las estrellas, los planetas y las galaxias. «Nos permitirá penetrar finalmente en las regiones frías y oscuras del universo», dice Richard Hills, científicos del proyecto.

Herbert Zodet / ESO

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Imágenes más nítidas
El telescopio Hale de 5,10 metros, situado en el monte Palomar, California, lleva 60 años en la vanguardia de la ciencia haciendo descubrimientos de fundamental importancia sobre las galaxias y los quasars. La instalación de un sistema de óptica adaptativa, con un rayo láser que llega a 90 kilómetros de altura, permite ahora al Hale producir imágenes todavía más nítidas y detalladas.

Joe McNally

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Un rayo láser emitido desde el telescopio Hale, al noreste de San Diego, en California, excita los átomos de sodio a 90 kilómetros de altura sobre la superficie de la Tierra y crea una «estrella artificial», que sirve de referencia para corregir las distorsiones causadas por las turbulencias atmosféricas. A partir de las lecturas de la luz de esa estrella artificial, un espejo deformable de 15 pulgadas se ajusta hasta 2.000 veces por segundo, para eliminar el efecto de las turbulencias. Sólo unos pocos telescopios actualmente operativos utilizan esa técnica de estrella de referencia generada por láser, que permite a los instrumentos instalados en tierra captar imágenes tan claras como las de sus homólogos espaciales, incluso en algunas regiones del cielo que antes resultaban difíciles de observar.

Joe McNally

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Sin nubes
Los telescopios Subaru, Keck I y II, y el infrarrojo de la NASA (de izquierda a derecha) ocupan la cima del Mauna Kea, de 4.205 metros de altura, en Hawai. Al estar por encima del 40 % de la atmósfera, ofrecen una de las vistas más claras de todo el planeta.

Joe McNally

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Triple visión 
Diferentes imágenes de la nebulosa del Cangrejo, captadas en luz visible, luz infrarroja y rayos X (de izquierda a derecha) y proyectadas sobre unas pantallas en Monument Valley, Utah, han sido fotografiadas con una exposición prolongada bajo un cielo cuajado de estrellas. Los telescopios de la próxima década nos revelarán el universo de maneras desconocidas hasta ese momento.

Joe McNally

10 de julio de 2009

Cuando uno empieza a mirar por un telescopio, lo normal es que le pasen dos cosas. Primero queda fascinado por el espectáculo (los dorados anillos de Saturno, cúmulos de estrellas que relucen como joyas sobre terciopelo negro, galaxias…) y por la revelación de que nuestro mundo forma parte de ese sistema gigantesco. Después, enseguida quiere un telescopio más grande.

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El próximo otoño se cumplirán 400 años de la primera vez que Galileo, pionero de ese programa en dos pasos, enfocó un telescopio al cielo nocturno. Primero quedó maravillado por lo que veía. Su telescopio le reveló tantas estrellas antes invisibles que cuando intentó cartografiar todas las que distinguía en una sola constelación, la de Orión, tuvo que abandonar, confesándose «abrumado por la vasta cantidad de astros». Vio montañas en la Luna, en contradicción con la teoría imperante en la época, según la cual todos los cuerpos celestes estaban compuestos de un «éter» ultraterreno. Siguió los movimientos de cuatro satélites brillantes que giraban alrededor de Júpiter como planetas de un sistema solar en miniatura, algo que los críticos de la cosmología heliocéntrica de Copérnico habían descartado como físicamente imposible. Evidentemente, la Tierra era una pequeña parte de un gran universo, y no una gran parte de un universo pequeño.

Enseguida, como era de esperar, Galileo se puso a construir telescopios más grandes y mejores. Como todavía no era posible fabricar lentes de mayores dimensiones para captar la luz, se concentró en la fabricación de telescopios más largos, lo que proporcionaba un mayor poder de aumento y reducía los halos de colores que formaban las lentes de aquella época. Observadores posteriores llevaron más lejos el diseño de los telescopios refractores con lentes de cristal, en algunos casos, literalmente. En Danzig, Johannes Hevelius montó un telescopio de 46 metros de largo; colgado con cuerdas de una pértiga, el dispositivo ondulaba ante la menor brisa. En Holanda, los hermanos Huygens presentaron al mundo larguísimos telescopios sin tubo: la lente del objetivo se colocaba sobre una plataforma situada en el campo, y el observador, a 60 metros de distancia, alineaba con ella un ocular de au­­mento y miraba a través. Esos instrumentos ofrecían vistazos fugaces de estrellas y planetas que, al igual que la danza de los siete velos, sólo en­­cendían el deseo de ver más.

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El telescopio reflector (que utiliza uno o más espejos curvos), del que Isaac Newton fue pionero, permitió hacer realidad ese deseo: sólo había que pulir una cara de los espejos para captar y reflejar en un punto focal la luz de los astros; además, como tenían soporte por detrás, podían ser bastante grandes sin combarse por su propio peso, como pasaba con las lentes más grandes. William Herschel descubrió el planeta Urano con un telescopio reflector hecho por él mismo. Fabricaba sus espejos metálicos en el jardín y el sótano de su casa. Una vez tuvo que huir de un río de metal fundido cuando el molde de estiércol de caballo que usaba se resquebrajó. Las galaxias espirales fueron descubiertas a través de un enorme telescopio reflector, con un espejo primario de 1,80 metros de diámetro, que lord Rosse construyó en su finca de Irlanda.

Hoy los telescopios más grandes tienen espejos de hasta 10 metros de diámetro, capaces de captar el cuádruple de luz que el legendario te­­les­­copio Hale de cinco metros del Observatorio Palomar, en el sur de California. Son grandes como un edificio de oficinas y algunos están tan automatizados que a la puesta de sol pueden desempolvarse la óptica, abrir la cúpula, determinar el orden de las observaciones, llevarlas a cabo y cerrarse en caso de tormenta inminente, todo ello con muy poca, o ninguna, intervención humana. Pero los seres humanos, por el hecho de serlo, todavía intervienen mucho, aunque sólo sea para asegurarse de que nada se estropee. Perder una noche de trabajo en un telescopio grande puede significar en estos tiempos una pérdida de hasta 70.000 euros en costes operativos.

Tres de los telescopios más grandes que existen en la actualidad, el Gemini North, el Subaru y el Keck, se encuentran a tiro de piedra uno de otro en la cima del Mauna Kea, un volcán inactivo de Hawai de 4.205 metros de altura. Esa altitud los sitúa por encima del 40 % de la atmósfera terrestre y de la mayor parte de su vapor de agua, que es opaco a los rayos infrarrojos que a los astrónomos les gusta estudiar; pero también hace que a los astrónomos e ingenieros que allí trabajan les resulte más difícil respirar y pensar. «A esta altitud no podemos improvisar; eso sería un desastre –advierte Scott Fisher, astrónomo del Gemini–. Aquí trabajamos como monos adiestrados. El verdadero trabajo de reflexión se hace al nivel del mar.»

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Los tres grandes telescopios del Mauna Kea son avanzados y costosos por igual, pero cada uno tiene una personalidad bien diferenciada. El Gemini, de 8,10 metros, se encuentra en el interior de una cúpula plateada en forma de cebolla rodeada de una serie de portones. Éstos se abren al anochecer y dejan al descubierto una impresionante serie de ventanales de tres pisos de altura que ocupan las tres cuartas partes de la circunferencia del observatorio. Por ellos entra el aire de la noche, además de ofrecer una vista panorámica del inmenso azul del Pacífico, hasta Maui y más allá. Los cuatro detectores digitales principales del Gemini (cámaras y espectrómetros, pesados como automóviles y con un coste de casi cuatro millones de euros cada uno) están montados sobre un carrusel que rodea el punto focal del telescopio, sobre el que pueden colocarse, rotando, en cuestión de minutos. Los ordenadores controlan el telescopio por la noche, programando las observaciones solicitadas para aprovechar al máximo cada minuto. «Lo que más nos interesa es la eficiencia en las horas nocturnas», dice Fisher.

Los instrumentos del telescopio Subaru están alojados en nichos, como si fueran grandes botellas de champán en una bodega celestial. (La comparación no es del todo caprichosa; un destacado astrónomo japonés intenta propiciar a los dioses al comienzo de cada turno de observación vertiendo sake de primera calidad en el suelo, fuera de la cúpula, en los cuatro puntos cardinales.) Cuando se requiere un instrumento determinado, un carrito amarillo robotizado se dirige al nicho correspondiente, recoge el detector, lo lleva hasta la base del telescopio y lo coloca en su sitio, antes de enchufar los cables de transmisión de datos. El Subaru es uno de los pocos telescopios gigantes a través del cual han mirado realmente unos ojos humanos. Para su inauguración en 1999, le montaron un ocular para que la princesa Sayako de Japón pudiera echar un vistazo, y durante varias noches los maravillados empleados del observatorio también miraron. «Todo lo que se ve en las fotos del telescopio espacial Hubble (los colores, los grumos en las nebulosas…) lo vi con mis propios ojos, en glorioso tecnicolor», recordaba uno de ellos.

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El Keck consiste en dos telescopios idénticos. Ambos tienen espejos de diez metros compuestos por 36 segmentos; con su estructura de so­­porte, cada segmento pesa cerca de 400 kilos, cuesta más de 700.000 euros y bastaría por sí solo para fabricar un buen telescopio, apto para una universidad. «La misión del telescopio es nuestra motivación –me dijo un astrónomo del Keck–. Nosotros pensamos que si la luz ha viajado por el espacio durante el 90 % de la historia del universo, y ha llegado a un punto tan cercano al telescopio, debemos asegurarnos de que podamos verla.»

Son pocos los astrónomos que tras conseguir tiempo de observación en los grandes telescopios acuden personalmente a las instalaciones. La mayoría envía sus solicitudes electrónicamente (hace unos días, en el Gemini los proyectos programados para una noche iban desde «Las masas de sistemas solares primordiales» hasta «La actividad magnética en enanas ultrafrías») y los resultados se les devuelven por la misma vía. Geoff Marcy, cuyo equipo ha descubierto más de 150 planetas en órbita alrededor de estrellas distintas de nuestro sol, dispone de más tiempo de observación que nadie en el Keck, pero hace muchos años que no lo visita. En lugar de eso, su equipo de investigación de planetas ex­­trasolares trabaja desde un centro de operaciones remoto en la Universidad de California en Berkeley. Durante los turnos de observación, cuenta Marcy, «nos adaptamos a una rutina de trabajo de toda la noche. Aquí tenemos nuestros libros y otros recursos a mano, y suficientes días libres para que nuestras parejas no se olviden de nosotros».

Además de una capacidad de captación de la luz sin precedentes, los grandes telescopios de hoy tienen la ventaja de sus sistemas de óptica adaptativa (OA), que compensan la turbulencia atmosférica. La turbulencia es lo que hace titilar a las estrellas, y los telescopios amplifican cada uno de esos parpadeos. Un típico sistema de OA envía un rayo láser a una fina capa de átomos de sodio situada a 90 kilómetros de altura en la atmósfera, poniendo así en el cielo una estrella artificial. Observando ese punto de luz, el sistema determina exactamente los efectos de la turbulencia y efectúa los ajustes necesarios en la óptica del telescopio, más de mil veces por segundo, para compensarlos. «Es increíble verlo en la práctica –refiere Scott Fisher–. Cuando el sistema de óptica adaptativa está apagado, se ve una bonita estrella un poco borrosa. Entonces se enciende el sistema de OA, y es increíble. ¡La estrella se concentra en un punto diminuto!»

Los objetos en el cielo nocturno se miden en grados; la luna llena, por ejemplo, mide medio grado. Sin OA, un telescopio potente en una noche despejada puede distinguir objetos con una separación entre sí de 1/3.600 de grado, o un segundo de arco. Gracias al sistema de OA del Keck, la astrónoma de la UCLA Andrea Ghez grabó una película donde se ve el movimiento de siete estrellas alrededor de un agujero negro en el centro de nuestra galaxia durante un período de 14 años. La película tiene lugar dentro de un cubo de apenas un segundo de arco de lado. Partiendo del frenético movimiento de rotación de las estrellas, Ghez calculó que el agujero negro tiene una masa equivalente a la de cuatro millones de soles, suficiente para generar una fuerza gravitatoria capaz de lanzar fuera de nuestra galaxia a las estrellas que pasen demasiado cerca.

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¿Qué nos deparará el futuro? Telescopios aún más grandes, desde luego, capaces de captar más deprisa imágenes más amplias y todavía más de­­talladas del cosmos. Entre los colosos que entrarán en funcionamiento en la próxima década, figuran el Telescopio Gigante Magallanes (GMT, Giant Magellan Telescope), el Telescopio de Treinta Metros (TMT, Thirty Meter Telescope) y el Telescopio Europeo Extremadamente Grande (E-ELT, European Extremely Large Telescope), de 42 metros, una versión reducida del Telescopio Abrumadoramente Grande (OWL, Overwhelmingly Large Telescope), de 100 metros, cancelado durante la fase de planificación, cuando se vio que también el presupuesto era abrumador.

Particularmente innovador es el Gran Teles­copio para Rastreos Sinópticos (LSST, Large Synoptic Survey Telescope), cuyo espejo primario de 8,4 metros se fabricó el pasado agosto en un horno giratorio bajo las gradas del estadio de los Wildcats, el equipo de fútbol americano de la Universidad de Arizona, en Tucson. (La técnica rotativa produce directamente una placa de espejo cóncava, lo que reduce la cantidad de vidrio que es preciso pulir para conferir al espejo el perfil adecuado.) Los telescopios convencionales tienen un campo de visión pequeño, que no suele ser superior a medio grado de lado, lo que resulta insuficiente para abarcar las enormes formaciones derivadas del big bang. El LSST tendrá un campo visual de diez grados cuadrados, el área de 50 lunas llenas. Desde su sede en los Andes chilenos, podrá tomar imágenes de galaxias lejanas en exposiciones de apenas 15 segundos cada una, lo cual permitirá captar sucesos fugaces a distancias de más de diez mil millones de años luz, un 70 % de todo el alcance del universo observable. «Como tendremos un gran campo visual, podremos hacer una cantidad enorme de exposiciones cortas (¡pam, pam, pam!), cubrir cada pocas noches todo el cielo visible, y después repetir –dice Tony Tyson, director del LSST–. Si lo hacemos durante diez años, tendremos una película: la primera película del universo.»

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Las imágenes rápidas y de gran campo del LSST quizás ayuden a dar respuesta a dos de los mayores interrogantes que afrontan actualmente los astrónomos: la naturaleza de la materia oscura y de la energía oscura. La materia oscura hace notar su presencia por su atracción gravitatoria (explica la velocidad de rotación de las galaxias), pero no emite luz, y se ignora de qué está hecha. «Energía oscura» es el nombre dado al misterioso fenómeno que durante los últimos 5.000 millones de años ha venido acelerando la velocidad de expansión del universo. «Da un poco de miedo –bromea Tyson–, como si estuvieras pilotando un avión y de pronto algo desconocido se hiciera con los mandos.»

El LSST podría contribuir a resolver esos enigmas, en parte, curiosamente, gracias a la ciencia de la acústica. El big bang fue ruidoso. Aunque el sonido no se puede propagar en el vacío del espacio actual (cosa que los pedantes nunca dejan de recordar a los directores de las películas de ciencia ficción), el universo primitivo era un plasma espeso, tan ruidoso como una convención de percusionistas. Ciertos tonos re­­sonaron en el plasma primordial, como los producidos al golpear una copa de cristal, y esas armonías, grabadas en «partituras» de galaxias hoy dispersas a través de miles de millones de años luz, contienen información sobre la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura. Si los astrónomos logran cartografiar esas grandes estructuras, quizá puedan identificar la firma de la materia oscura y la energía oscura en la armonía del big bang. La Prospección Digital Sloan del Cielo (SDSS, Sloan Digital Sky Survey), una investigación pionera en imágenes de gran campo, captó parte de esa información cuando cartografió el cielo entre 1999 y 2008. El LSST está diseñado para llegar más profundamente en el espacio cósmico. Tal vez no resuelva los misterios, pero, según Tyson, «servirá para indicar lo que la energía oscura y la materia oscura no son».

Gracias a su «rapidez» fotográfica, el LSST también permitirá observar con más detenimiento sucesos demasiado fugaces para que hoy puedan ser estudiados. La mayoría de los astrónomos, incluso los aficionados que usan telescopios de jardín y cámaras digitales corrientes, observan con frecuencia fenómenos efímeros de origen desconocido. Toman una serie de exposiciones digitales, y en una de ellas aparece un punto de luz donde antes no había nada ni hay nada después. Puesto que el LSST tomará muchas exposiciones de todo el cielo y las repetirá, podría resolver muchos de esos enigmas.

Los enormes telescopios del mañana harán tanto trabajo en una sola noche como los de hoy en todo un año, pero eso no volverá necesariamente obsoletos a los antiguos. Cuando los gi­­gantes empiecen a funcionar, dice Scott Fisher, «los Gemini de hoy serán los que tengan que rastrear el cielo» para encontrar fenómenos interesantes que los telescopios más grandes puedan investigar con detalle. «Es como una pirámide, y funciona en ambos sentidos: cuando un telescopio de los más grandes da con algo curioso que los astrónomos no pueden observar todas las noches, un telescopio menor puede destinar más tiempo para estudiarlo, por ejemplo, todas las noches despejadas durante un año, y ver cómo cambia con el tiempo.»

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Los telescopios espaciales en órbita están abriendo otra dimensión. El satélite Kepler de la NASA, lanzado en marzo de 2009, está haciendo una prospección sistemática de la constelación del Cisne en busca de la levísima atenuación de la luz causada cuando los planetas (algunos de los cuales quizá se parezcan a la Tierra) transitan delante de sus estrellas; el equipo de Geoff Marcy utilizará después el Keck para observar las estrellas marcadas por el Kepler y confirmar así la presencia de planetas. Algún día, observatorios instalados en cráteres en la cara oculta de la Luna podrán escudriñar el universo en condiciones ideales de tranquilidad, oscuridad y frío. La in­­minente combinación de satélites inteligentes comunicados con telescopios terrestres cada vez más automatizados, conectados a su vez a redes de fibra óptica que empleen sistemas de inteligencia artificial para detectar pautas significativas en torrentes de datos, hace pensar en un proceso tanto biológico como mecánico, comparable a la evolución de ojos, nervios ópticos y cerebros.

Los directores de cine suelen decir que cada película es en realidad dos películas: la que ruedan y la que dicen que van a rodar cuando están intentando reunir el dinero para rodarla. Lo que quieren decir es que nadie puede predecir con exactitud el resultado de ninguna empresa que sea genuinamente creativa. Lo mismo puede decirse de los descubrimientos científicos. Los científicos pueden explicar lo que esperan conseguir con telescopios mejores y más grandes, pero sus predicciones son principalmente extrapolaciones del pasado. «Si vas a Washington a buscar financiación para un telescopio y llevas una lista de lo que podrás ver a través de esa nueva ventana al universo, sabes que seguramente el descubrimiento más interesante no figura en la lista –explica Tyson–. Lo más probable es que sea algo completamente nuevo, algo inimaginable para la física que nos dejará atónitos.»

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El maravilloso modelo del universo del big bang configurado en el siglo XX surgió en gran parte de ese tipo de hallazgos inesperados. Edwin Hubble descubrió la expansión del universo por accidente, observando a través del telescopio. La expansión cósmica estaba implícita en la teoría de la relatividad general de Einstein, pero Hubble no conocía la predicción. La materia oscura se descubrió por accidente, y también la energía oscura. Un telescopio no sólo nos muestra lo que hay ahí fuera; también nos recuerda lo poco que sabemos y nos abre la imaginación para acceder a maravillas infinitas. Como dijo Galileo: «El catalejo siempre muestra la verdad».