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2 Revista del Ministerio de Fomento

A s t r o n o m í a

El Observatorio de Yebes cuenta con un centropuntero de desarrollo tecnológico

Entre el cielo

Obeservatorio.qxp__Maquetación 1 7/11/19 7:47 Página 2

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y la TierraEl Observatorio de Yebes es una de las seis Infraestructuras Científico-TécnicasSingulares (ICTS) españolas de astronomía, la única que pertenece al Ministerio deFomento y también la única en Castilla-La Mancha. Adscrito al Instituto GeográficoNacional (IGN), es un observatorio de renombre internacional que aloja uncentro puntero de desarrollos tecnológicos en el campo de la radioastronomía,dos radiotelescopios de primer nivel mundial, intensa actividad en geodesiaespacial y geofísica y mucho futuro por delante.



Yebes es un pueblo de la provincia de Guadala-jara situado en la Alcarria, una meseta surcada porvalles donde crece vegetación típica del clima me-diterráneo seco. A principios de los años 70, a unaaltitud de 1.000 metros, en el lugar más alto de untérmino municipal que por aquel entonces no al-bergaba más de 100 habitantes, lejos de polucioneslumínicas y radio y ocupando una parcela de 25hectáreas, se estableció el Observatorio.

Cuarenta y cinco años después, el nombre de Yebesha pasado a ser habitual y familiar en los foros ycongresos internacionales de radioastronomía ygeodesia espacial, gracias especialmente a los de-sarrollos tecnológicos que se realizan en su Obser-vatorio, a sus dos radiotelescopios en activo de 40metros y de 13,2 metros de diámetro y a sus acti-vidades de divulgación, estas últimas en colabora-ción con el Ayuntamiento de una localidad que


uImagen del interferómetro delPlateau de Bure del Instituto deRadioastronomía Milimétrica, IRAM.


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45 años después ha pasado a tener más de 3.000habitantes, convirtiéndose en una de las ciudadescon más futuro de la provincia de Guadalajara.

Los primeros pasos

En 1974, el Instituto Geográfico Nacional abrióuna nueva línea de investigación en astronomía

para dinamizar la actividad del Observatorio As-tronómico Nacional, situado en el centro deMadrid al lado del parque del Retiro, y apostó porla creación de un Observatorio en el municipio deYebes, equipado con tres instrumentos de obser-vación astronómica: un astrógrafo doble para laobservación de asteroides, una torre solar y un ra-diotelescopio de 14 m de diámetro. Este últimoinstrumento es el más singular y relevante de todoslos anteriores porque en torno a él se formó el pri-mer grupo de radioastronomía español. La obser-vación astronómica a longitudes de onda radio,descubierta por el ingeniero Karl Jansky tan solo40 años antes, permite obtener información valiosasobre el Universo que no puede conseguirse me-diante observaciones en el óptico. Desde sus inicioshasta hoy, la radioastronomía ha contribuido a es-clarecer procesos físicos como la formación de es-trellas o fenómenos como la detección de agujerosnegros.

Dado que en España no existía ni tradición ni ex-periencia previa, los astrónomos que se incorpo-raron al Observatorio se desplazaron a los princi-pales centros de radioastronomía extranjeros,localizados en Francia, Alemania, Estados Unidosy Suecia, para formarse en las técnicas de obser-vación, la operación de los radiotelescopios, la ex-plotación científica de las observaciones radioas-tronómicas y la construcción de receptores demicroondas. Este periodo de formación que co-menzó a principios de los años 80 se extendió hastamediados de la década de los 90.

Paralelamente a la puesta en marcha del Obser-vatorio de Yebes, el Instituto Geográfico Nacionalse convirtió en los años 80 en el socio español delInstituto de Radioastronomía Milimétrica (IRAM),un instituto actualmente hispano-franco-alemánque opera un radiotelescopio milimétrico en el Picodel Veleta, Granada, y un interferómetro hoy for-mado por diez antenas en los Alpes franceses.IRAM era y es una referencia tecnológica inter-nacional en observaciones radioastronómicas deondas milimétricas y submilimétricas.

Desde los primeros momentos, y a imagen delIRAM, resultó evidente que era necesario dotar alObservatorio de Yebes de astrónomos e ingenierossiguiendo los mismos criterios que los principalesobservatorios radioastronómicos del mundo. Porotra parte, la variedad de instrumentación que esnecesaria manejar en un radiotelescopio exigió laespecialización de los miembros del Observatorio.La incorporación de personal se hizo a través del

Entre el cielo y la Tierra



acceso al Cuerpo de Astrónomos, de becarios concargo a proyectos de investigación y de la contra-tación de personal laboral con cualificaciones téc-nicas. De este modo, el Observatorio quedó con-figurado desde el comienzo con una doble faceta:científica e instrumental.

La primera observación manual con el radioteles-copio de 14 m se realizó sobre la Luna en 1979con un receptor a longitudes de onda radio, pres-tado por colegas franceses. En 1988, y tras añosde trabajo, se instaló en el radiotelescopio de 14 mel primer receptor enfriado a temperatura crio-génica (-250 °C) que fue diseñado y fabricado ín-tegramente en el Observatorio con el apoyo de laEscuela de Ingenieros de Telecomunicación de laUniversidad Politécnica de Madrid.

Las señales que se pretende detectar, provenientesde objetos celestes muy lejanos como galaxias, es-trellas o cuásares son miles de billones de veces másdébiles que las que pueda generar un teléfonomóvil. Para poder detectarlas se construyen radio-telescopios constituidos por grandes superficies pa-rabólicas que concentran, en un punto donde sesitúa el receptor, toda la energía captada en laprecisa dirección del Universo a la que apuntan.En los receptores la señal encuentra primero al ali-mentador, la verdadera antena que recibe la señal,y tras ser captada por este es conducida al ampli-ficador de bajo ruido. Este último, diseñado paragenerar el mínimo ruido interno, amplifica milesde veces la débil señal recibida, fijando así nuestrolímite de sensibilidad. Tanto el alimentador comoel amplificador generan su propia señal interna, elruido, que enmascara la señal a recibir. Al tratarsede un «ruido» de origen térmico, reducir la tem-peratura de funcionamiento de estos dispositivosaumenta de manera extraordinaria la sensibilidaddel receptor, esto es la mínima señal detectable.

Los amplificadores criogénicos de muy bajo ruido

Sin duda, uno de los elementos clave de los re-ceptores de un radiotelescopio son los amplifica-dores criogénicos de muy bajo ruido. El Obser-vatorio de Yebes se especializó muy pronto en sudiseño y fabricación. Esta actividad de alta tec-nología que comenzó hace más de 30 años semantiene activa a un altísimo nivel competitivoen la actualidad. El amplificador exige un diseñosingular para que la pieza clave, el transistorHEMT, se rodee de las condiciones idóneas para


uAmplificador criogénico.

uMontaje de un amplificador.

uDetalle del amplificador criogénico


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ofrecer el mínimo ruido posible. Un circuito demicroondas, la línea microstrip diseñada al efecto,componentes electrónicos chip y una caja metá-lica con fresados de precisión micrométrica recu-bierta de una fina capa de oro de unas pocas mi-cras de grosor se encargan de ofrecer el entornoadecuado. Y para culminar, unos finos hilos deoro también de unas pocas micras de diámetro(el tamaño de un cabello humano) realizan lasconexiones necesarias con el transistor. Y todo aunos doscientos cincuenta grados bajo cero, paraque no se escape ninguna señal, por lejana queprovenga.

La constitución de esta tecnología «made in Yebes»ha conllevado necesariamente una inversión con-siderable en personal e instrumentación duranteestos 40 años. Hoy en día, sus laboratorios y talleresocupan una superficie de más de 1.000 metros cua-drados y se encuentran equipados con modernatecnología, comenzando por fresadoras de controlnumérico, diferentes procesos de soldadura comolas máquinas de «bonding», que «cosen» con hilode oro el transistor, un laboratorio de química paradorar los circuitos y controlar los grosores de lascapas de oro y terminando por los analizadores deredes que miden su funcionamiento. Todo lo ne-cesario para la construcción de un dispositivo que,dada la destreza alcanzada por nuestros técnicos,necesita aproximadamente una semana para pasar


del diseño a la realidad y en el que participa unequipo de varios técnicos especializados.

Los amplificadores producidos en el Observatoriode Yebes, que suman el millar, se han instalado ennumerosos receptores de radiotelescopios distri-buidos por todo el mundo, como son, por ejemplo,los de IRAM, los receptores de la misión espacialHERSCHEL de la Agencia Espacial Europea ylos receptores de varias bandas de frecuencia delAtacama Large Millimeter Array (ALMA), el in-terferómetro milimétrico más sensible del mundoen este momento. Las prestaciones de estos dispo-sitivos son tan altas que se han empleado tambiénen comunicaciones con sondas espaciales muy le-janas (del espacio profundo), así como en el recientecampo de la computación cuántica. Asimismo, latecnología de su fabricación ha sido también trans-ferida a empresas tecnológicas españolas. Al menos500 de estos amplificadores han sido fabricadospor empresas españolas. Un último paso al frentehacia el estado del arte ha sido el diseño de ampli-ficadores monolíticos MMIC con excelentes resul-tados. Los amplificadores diseñados y construidosen Yebes forman ya parte de la evolución científi-co-técnica en radioastronomía, habiendo sido de-cisivos en descubrimientos tan trascendentes y me-diáticos como la imagen más nítida del entornodel agujero negro de la Vía Láctea: Sgr A*.

El radiotelescopio de 40 metros, un nuevo impulso para el desarrollode nuestros receptores criogénicos

A finales de los años 90 y ante el envejecimiento delradiotelescopio de 14 m y sus posibilidades limitadas,se comenzó a estudiar la posibilidad de dotar alObservatorio de un gran radiotelescopio moderno,que además permitiera el estudio del medio inte-restelar con gran sensibilidad. Tras años de intensostrabajos tecnológicos y de gestión, en el año 2005se inauguró un radiotelescopio de 40 m de diámetro,actualmente el instrumento más importante del Ob-servatorio de Yebes y el que confiere la naturalezade ICTS al Observatorio desde el año 2012. El ra-diotelescopio de 40 m vio su primera luz en 2007observando, otra vez, la Luna, y se incorporó in-mediatamente a la red Europea de VLBI (EVN),siendo uno de los principales elementos de esta redpor su alta sensibilidad y fiabilidad. Desde hace másde 10 años este radiotelescopio es también parte dela red geodésica del Servicio Internacional de VLBI(IVS), que determina los parámetros de la orienta-ción de la Tierra en el espacio.

uCircuito MMIC yamplificador.

uAmplificadorescriogénicos

fabricados en elObservatorio

de Yebes



Estas redes internacionales de radiotelescopios,EVN e IVS, utilizan la denominada técnica «In-terferometría de Muy Larga Base» o VLBI, acró-nimo del término en inglés «Very Long BaselineInterferometry». Es una técnica de observación enla que varios radiotelescopios repartidos por todoel mundo observan simultáneamente una mismafuente astronómica. Las señales captadas por losdistintos radiotelescopios se envían a un centro quelas procesa y genera una imagen con una nitidezy resolución sin precedentes, millones de vecesmayor que la de la imagen captada por cada teles-copio por separado. La técnica de VLBI permiteademás determinar con una precisión altísima ladistancia entre parejas de radiotelescopios, y porlo tanto también la posición de estos en la Tierra,ofreciendo información geodésica de alta calidady pudiendo determinar los parámetros de la orien-tación de la Tierra en el espacio.

El uso del radiotelescopio está abierto a astróno-mos de todo el mundo a través de un accesoabierto y competitivo con un comité de evaluaciónde propuestas. Para su puesta en marcha fue im-prescindible desarrollar un sistema de control ymonitorización tanto del radiotelescopio como delos instrumentos instalados en él. Asimismo, la as-tronomía siempre ha sido puntera en el desarrollode programación, en la utilización de sistemasoperativos alternativos y en la transferencia a granvelocidad de grandes volúmenes de datos, tantode los instrumentos a los discos duros como entredistintos centros empleando Internet. En este sen-tido, el Observatorio de Yebes fue pionero en Re-diris, la Red Científica Española, siendo uno desus miembros fundadores y una de las primeras

instituciones que tuvo correo electrónicoen España y acceso a Internet en suforma más primitiva. También fue pio-nero en la utilización de Linux, un sis-tema operativo libre recién creado quepermitía el intercambio y distribucióndel software sin trabas legales. Entre lasobservaciones más recientes que se hanrealizado con el radiotelescopio de 40 mde Yebes se cuenta con la detección dela contrapartida electromagnética de lasondas gravitacionales producidas por lafusión de dos estrellas de neutrones ydetectadas en agosto de 2017 o la ima-gen del agujero negro mencionada conanterioridad.

La puesta en marcha del radiotelescopiode 40 m marcó el comienzo de una nuevaetapa de desarrollos tecnológicos en el Observatoriode Yebes. Para explotar todas las capacidades delnuevo radiotelescopio fue necesario construir nuevosreceptores criogénicos de bajo ruido. Un receptorradioastronómico es un cilindro de acero donde,con la ayuda de un alto vacío y un pistón quebombea continuamente gas helio de gran pureza,se consiguen las temperaturas criogénicas necesarias.Dentro del receptor encontraremos las antenas ali-mentadoras, cuando sus dimensiones lo permitan,y los amplificadores de bajo ruido. Una larga listade equipos electrónicos los acompañan, filtros,coaxiales, guías de onda, mezcladores, osciladoreslocales, constituyendo lo que conocemos como unreceptor de radioastronomía.

Su fabricación es un trabajo muy específico en elque participan ingenieros, técnicos electrónicos ymecánicos, todos ellos altamente especializados.Una actividad que se inicia en la mesa de trabajode los ingenieros con los diseños del alimentador,el criostato, los amplificadores y los conversores.Posteriormente pasa a los laboratorios y talleresdonde técnicos con una alta cualificación llevan acabo su construcción, y después son probados du-rante semanas en los laboratorios de medida parafinalmente ser instalados en los radiotelescopios.Un proceso que dura meses, donde se ven involu-crados decenas de trabajadores y que requiere unavez más un gran despliegue de recursos tanto depersonal como de inversión económica. En la ac-tualidad se han construido hasta 20 receptores crio-génicos de bajo ruido para otros institutos y obser-vatorios del mundo que lo han solicitado. Losreceptores desarrollados cubren todo el espectroelectromagnético para el que el radiotelescopio de


uRadiotelescopiode 40 m de Yebes.

uImagen delinterior de un

receptorcriogénico de un

radiotelescopio


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40 metros tiene capacidad de recibir señal, desde2 GHz a 118 GHz. Esto lo ha convertido en unode los radiotelescopios más completos del mundoy en especial de las redes de VLBI. La experienciaganada desde la construcción del primer receptorha permitido situar al Observatorio de manera sin-gular entre los pocos centros (no más de cinco) contal capacidad en todo el mundo.

Un laboratorio que hace aún más singular al Ob-servatorio de Yebes es la cámara anecoica parala caracterización de antenas alimentadoras. Estasson las responsables de captar de forma eficientela señal recibida por la parábola y para ello es de-terminante conocer de forma precisa las direc-ciones de recepción de la señal. De esta caracte-rística depende de forma crítica el funcionamientodel radiotelescopio y la capacidad de captar la señalmás débil posible. La cámara anecoica del Obser-

vatorio de Yebes es un laboratorio de grandes di-mensiones que permite la medida de antenas y re-flectores hasta 140 GHz, lo que la convierte enúnica en España.

RAEGE y la Geodesia Espacial, el impulso definitivo

En 2012, para potenciar el área de observaciones deradioastronomía con fines geodésicos, el IGN y elGobierno Regional de Azores firmaron un conveniopara la creación de una Red Atlántica de EstacionesGeodinámicas y Espaciales (RAEGE), formada porcuatro radiotelescopios de 13,2 m de diámetro,situados en lugares estratégicos de España y Por-tugal: en el municipio de Yebes (en la placa tec-tónica euroasiática), en las islas de Gran Canariay Santa María en Azores (en la placa africana) yla isla de Flores en Azores (en la placa tectónicaamericana). Esta red permitirá determinar congran precisión el movimiento relativo de las tresplacas tectónicas donde se asentarán los radio-telescopios. En 2013 se inauguró el primero de loselementos de la red RAEGE, el radiotelescopio de13,2 m en el Observatorio de Yebes. En 2014 seconstruyó el radiotelescopio en la isla de Santa Ma-ría y para los próximos años está previsto el co-mienzo de la construcción de los radiotelescopiosen las islas de Gran Canaria y Flores.

Estos radiotelescopios, además de realizar estu-dios regionales, se integrarán en el proyecto glo-bal VGOS (VLBI Geodetic Observing System),el siguiente gran proyecto de la IVS, cuyo obje-tivo es establecer un sistema de referencia sobrela superficie terrestre con precisiones inferioresa 1 mm. Este sistema será utilizado para deter-minar la orientación relativa de la Tierra en elespacio con la máxima precisión posible y paraproporcionar una referencia en tierra a los saté-lites que orbitan en torno a nuestro planeta.

RAEGE además ha significado un impulso a lasposibilidades de negocio de la empresa españolaen el mundo. Aunque diseñados por una empresaalemana, los radiotelescopios de RAEGE hansido fabricados por una empresa asturiana. A loscuatro radiotelescopios de la red hay que sumarotros tres idénticos que también han sido fabri-cados por la misma empresa, dos en Noruega yuno en Japón. La ampliación de la red VGOS amás países puede suponer, pues, un gran volumende negocio para los intereses de las empresas es-pañolas del sector.


uCabina dereceptores delradiotelescopio de40 metros

uFoto de lacámara anecoicadel Observatoriode Yebes.



El impulso del proyecto RAEGE ha servido paraseguir aumentando las capacidades tecnológicasdel Observatorio de Yebes. Dado que el proyectoVGOS precisa para su implementación que los ra-diotelescopios que forman su red estén equipadoscon nuevos receptores denominados de bandaancha que trabajan entre 2 y 14 GHz. En 2013comenzó el diseño del primer receptor de bandaancha en los laboratorios de Yebes. Tan solo existíaen el mundo otro similar en el Observatorio deHaystack en Estados Unidos. Su construcción fi-nalizó a principios de 2016 y se instaló unos mesesdespués en el radiotelescopio de 13,2 m del Ob-servatorio, reemplazando el anterior receptor de-nominado tribanda, también fabricado en Yebesal igual que dos idénticos que ahora funcionanen Noruega y Japón, porque recibía señal a tresbandas de frecuencias diferentes (S a 2 GHz, Xa 8 GHz y Ka a 32 GHz). Su instalación fue unéxito y permitió que la antena de 13,2 m de Yebesentrara a formar parte del selecto grupo de 5 te-lescopios en todo el mundo a la vanguardia delproyecto VGOS (en la actualidad, este grupo seha ampliado a 7: en Estados Unidos, Suecia, Ale-mania y España). Posteriormente, se hanfabricado receptores para el radiotelescopio de

RAEGE en la isla de Santa María en Azores y unradiotelescopio VGOS de Ishioka en Japón.Como resultado de estos desarrollos, se fabricarontambién dos receptores más para un radioteles-copio VLBI de geodesia instalado en la Antártida,estación Ohiggins, y gestionada por el institutoalemán BKG, la Agencia Federal Alemana deCartografía y Geodesia.

Además, el Observatorio de Yebes ha recibido elencargo de fabricar tres receptores en banda anchapara los radiotelescopios VGOS de Noruega y Fin-landia. Dos de ellos están ya finalizados y se entre-garán en breve. Estos trabajos se enmarcan dentrode dos convenios de colaboración firmados por elIGN con la Autoridad Cartográfica Noruega,NMA, y el Instituto Finlandés de InvestigaciónGeoespacial, FGI, respectivamente. Por otra parte,se esperan dos encargos más para fabricar sendosreceptores para observatorios de Italia y Sudáfrica.Además se han fabricado sistemas de calibraciónde fase para los telescopios del BKG en Wetzell(Alemania) y en La Plata (Argentina). A la vista delos excelentes resultados obtenidos por el receptorde banda ancha de Yebes y de los equipos auxiliaresy subsistemas que este utiliza, el Observatorio de


uRadiotelescopiode 13,2 m delObservatorio de Yebes. Al fondose observa elradiotelescopio de 40 m.

uReceptor debanda ancha de unradiotelescopio.

uReceptor tribanda


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Yebes ha sido calificado como Centro deDesarrollos Tecnológicos para el IVS. Un privilegiodel que solo forman parte siete institutos como elMIT, la NASA y los respectivos en Rusia, Canadá,Japón y Suecia. La presencia de la tecnología«made in Yebes» en el mundo de la geodesia es-pacial y por lo tanto en la radioastronomía es yaincontestable.

El futuro

Las actividades de observación radioastronómica,geodésica y geofísica junto a la singular capacidadde desarrollar tecnología aplicada propia le hanvalido al Observatorio de Yebes su calificación comoICTS. Ello permite al Observatorio de Yebes elacceso a recursos económicos y de software gestionadospor el Ministerio de Ciencia, Innovación y Univer-sidades. Entre dichas ayudas se encuentran los fondosFEDER, financiados por la Unión Europea, quehan permitido mantener y actualizar sus recursostecnológicos y humanos, recibiendo cofinanciacionesdel orden de 15 millones de euros.

Actualmente, se ha concedido al Observatorio deYebes el proyecto FEDER YDALGO (Infraestruc-turas de Desarrollo y Actividades de Laboratorioy Geodesia espacial para el Observatorio de Yebes)por valor de 9,5 millones de euros para su ejecu-ción entre 2018-2022. El proyecto YDALGO con-templa dos objetivos: la construcción y equipa-miento adicional de un edificio de laboratorios y

talleres para el desarrollo de tecnología de mi-croondas junto a la instrumentación y máquinasnecesarias, y la construcción, instalación y puestaen marcha de un nuevo sistema de geodesia espa-cial, un telescopio óptico de láser pulsado para laobservación de satélites con retroreflectores, quepermitirá integrar al Observatorio de Yebes enotra red internacional. Todo ello constituye unnuevo paso para continuar hacia la mejora y ex-celencia del Observatorio de Yebes como centrode desarrollo de tecnología y de estudios astronó-micos y geodésicos.

Hoy, 45 años después de sus inicios, el Observa-torio de Yebes se ha convertido en un centro in-ternacional de renombre en Radioastronomía,siendo referencia para otros institutos, que em-plean nuestra tecnología o inician sus actividades,como es el caso de NARIT (el Instituto de Astro-nomía de Tailandia) que hoy construye un radio-telescopio de 40 metros idéntico al de Yebes. Elloha sido posible gracias a una decidida apuesta delMinisterio de Fomento, a través del IGN, paradotar al centro de personal altamente cualificadoe instrumental especializado. En los próximos añosse abordarán nuevos retos tecnológicos en Ra-dioastronomía y Geodesia Espacial en colabora-ción con instituciones europeas y del resto delmundo. Una inversión tecnológica que debe seguirdando nuevos frutos para ayudar a situar a Españaen un lugar relevante en el panorama internacio-nal y beneficiar a la industria nacional y a la so-ciedad en general.


Texto: Jóse Antonio López Fernández (Subdirector Gene-ral de Astronomía) y Pablo de Vicente Abad (Director delCentro de Desarrollos Tecnológicos del Observatorio de

Yebes). IGN

uIngenieros delObservatorio de Yebes en elObservatorio de Ny Alesund, enNoruega, que cuentacon dosradiotelescopios de13,2 m y dosreceptoresdesarrollados en Yebes.

uMapa de desarrollostecnológicos de Yebes y sudistribución mundial. En el

mapa se muestra la posiciónde los 4 radiotelescopios de

RAEGE


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