La astronomía de la segunda mitad del siglo XX se caracterizó por haber abierto la gran mayoría de las ventanas existentes para observar el Universo. Ya no nos conformamos con estudiar la luz de las estrellas: ahora también les apuntamos radiotelescopios de gran tamaño; en nuestros telescopios empleamos detectores optoelectrónicos de gran eficiencia capaces de detectar luz infrarroja y ultravioleta; y desde el espacio captamos las radiaciones que no pueden pasar a través de nuestra atmósfera, como el infrarrojo lejano, los rayos X y los rayos gamma. Algunos objetos son particularmente brillantes en un tipo de radiación dada. Los pulsares, por ejemplo, parecen ser particularmente brillantes en rayos gamma y los restos de supernova en rayos X. El siglo XXI presenta varios retos para la astronomía, en particular el desarrollo de la astronomía con neutrinos y con ondas gravitacionales. En México, el proyecto del Gran Telescopio Milimétrico (o GTM) abre la gran ventana del Universo milimétrico para la ciencia mexicana.
Los telescopios milimétricos son llamados así porque captan radiación con longitud de onda de alrededor de un milímetro. Esta radiación corresponde a la transición entre las ondas de radio, con longitud de ondas de decenas de centímetros, y el infrarrojo lejano, con longitudes de onda de decenas o centenares de micras. Las ondas milimétricas, que corresponden también a microondas de alta frecuencia, son emitidas principalmente por gas y polvo frío. Por un lado, si el gas está suficientemente frío para estar constituido por moléculas, estas giran alrededor de alguno de sus ejes y cuando disminuye este movimiento de rotación emiten ondas milimétricas. Por otro lado, el mismo gas o el polvo cuando se encuentran a temperaturas alrededor de diez grados por encima del cero absoluto (o sea -263 grados centígrados) brilla en ondas milimétricas. Estas temperaturas tan bajas se dan no en las estrellas sino en el medio interestelar de donde nacen las estrellas. El Gran Telescopio Milimétrico es un instrumento diseñado para estudiar el Universo frío.
En nuestro sistema solar se han detectado ondas milimétricas debido a moléculas presentes en cometas y en las atmósferas de objetos fríos, en particular Titán, la luna mayor de Saturno, Tritón, la luna mayor de Neptuno, y Plutón. La detección de moléculas en cometas como el Hyakutake y el Hale-Bopp proporciona información precisa de las condiciones en la cola y cauda de estos objetos al irse acercando al Sol. En el caso de objetos como Titán, observaciones milimétricas puedan darnos indicios de los procesos químicos que suceden en este objeto, cuya atmósfera es en ciertos aspectos parecida a la de la Tierra, a pesar de tener temperaturas casi doscientos grados mas bajas. Con las ondas milimétricas es posible también estudiar a los asteroides y meteoritos. Por un lado se puede encontrar el periodo de rotación alrededor de su propio eje, así como caracterizar algunas de sus propiedades generales a partir de estudiar los cambios de brillo entre distintas partes del objeto. Por otro lado, se considera que el GTM puede servir para monitorear meteoritos cuya trayectoria pase cerca de la Tierra, sirviendo como un monitor para alertarnos de la posibilidad de un eventual impacto.
Mas allá de nuestro sistema solar, pero dentro de nuestra galaxia, los telescopios milimétricos han podido estudiar el proceso de formación de las estrellas y las primeras etapas de sus vidas. Las estrellas se forman a partir de gigantescas nubes de gas frío conocidas como nubes moleculares, debido a que la mayor parte del material que contienen es hidrógeno molecular (H2). Estas nubes brillan intensamente en ondas milimétricas, aunque su brillo se debe no al hidrógeno molecular, que por azares de la naturaleza no emite microondas, sino al monóxido de carbono (CO) que acompaña al hidrógeno. Cuando una nube molecular es golpeada por la onda de choque de alguna supernova relativamente cercana, parte de ella comienza un proceso irreversible de contracción que termina en la formación de una estrella. En los últimos (millones de) años antes de su formación, la "protoestrella" es detectable en infrarrojo y ondas milimétricas gracias a la presencia de un disco de gas y polvo que la rodea. Aun después de haber comenzado a tener reacciones nucleares en su centro, y con esto haber iniciado su vida como estrella, es posible detectar estos discos. Un ejemplo es la estrella Vega, la mas brillante de la constelación de la Lira. En algunos casos es posible detectar también ondas milimétricas directamente de las estrellas. En las estrellas mas frías, como las supergigantes rojas, la atmósfera llega a estar a menos de dos mil grados centígrados y en ella se logran formar algunas moléculas, como el dióxido de titanio, substancia que en la Tierra se usa en la pintura blanca. Así, un instrumento como el GTM nos permitirá no solo entender mejor como nacen las estrellas sino también la evolución de estrellas "adultas" como son las supergigantes rojas.
Es sin embargo en el estudio del Universo extragaláctico donde se cree que un instrumento como el GTM puede dar lugar a un mayor avance. Por un lado se abre la posibilidad de estudiar en microondas relaciones como la que hay entre la rotación de galaxias espirales y su luminosidad, relación conocida como Tully-Fisher. Un punto mas importante es que la formación de estrellas no es un proceso que se de solo en nuestra galaxia y de hecho existen galaxias, llamadas galaxias "starbursts", donde se dan brotes violentos de formación estelar a una tasa treinta veces mayor que en nuestra galaxia. Un ejemplo es la galaxia NGC1068 cuyo brillante núcleo delata la formación masiva de estrellas. Aun cuando formalmente se considera que los cuasares no estan relacionados directamente con estas galaxias "starbursts", existe toda una gran familia de objetos con núcleos activos que parecen llevar de las "starbursts" a la galaxias tipo Seyfert y de ahí a los cuasares. A estas se agregan un tipo de galaxias ultraluminosas en el infrarrojo, descubiertas por el satélite infrarrojo IRAS ( Infrared Astronomical Satellite), y que son tal vez los objetos (estables) mas luminosos del Universo. No sabemos a ciencia cierta cual es la relación entre todos estos objetos ni el papel que juega la formación de estrellas, y un instrumento como el GTM puede desempeñar un papel estelar en esclarecer este misterio. Se estima que el GTM será capaz de observar un millón de galaxias por su emisión en microondas, algunas de ellas situadas en el borde del Universo observable y cuya luz fue emitida cuando el Universo tenía la décima parte de su edad actual. El GTM nos dará información fresca sobre las condiciones del Universo cuando se dió la primera generación de estrellas.
La frontera última del GTM será el nacimiento mismo del Universo. Hoy, unos doce mil millones de años después de la gran explosión que creemos dió origen al Universo, es posible detectar el frío remanente de este evento único. El Universo como un todo se encuentra a una temperatura de tres grados por encima del cero absoluto (-270 grados centígrados) y brilla principalmente en microondas de longitud de onda muy cercana a un milímetro. Este brillo de fondo del Universo proviene de todas las direcciones, y al estudiarlo con cuidado podemos detectar el movimiento de la Tierra y del Sol con respecto a este fondo de radiación. Recientemente el satélite COBE (Cosmic Background Explorer) ha confirmado la existencia de regiones de temperatura ligeramente mas alta en este fondo de radiación. La teorías dicen que estas regiones, con temperatura tan solo diez millonésimas de grados por encima del promedio, corresponden a zonas de mayor densidad de materia al formarse el Universo y donde se empezaron a formar las primeras galaxias y cúmulos de galaxias. El GTM probablemente podrá estudiar regiones de este tipo de menor tamaño que las observadas por COBE, alcanzando a ver el Universo antes de que se formara la primera galaxia o estrella.
Las primeras generaciones de telescopios milimétricos han dado lugar a muchos descubrimientos y nos dan una idea de que sería posible observar con una antena de este tipo que tuviera cincuenta metros de diámetro. Por si fuera esto poco, la experiencia ha demostrado que siempre se dan descubrimientos no previstos, inesperados, que solo podran hacerse instalando un instrumento de este tipo a cuatro mil quinientos ochenta metros sobre el nivel del mar, en la cima del cerro La Negra, y observar con él las partes mas frías del Universo al comenzar el siglo XXI.
