Fuegos artificiales perpetuos: astronomía de rayos X

Cientos de noches de observación se requirieron para completar el proyecto que, de alguna manera, echó a andar el Observatorio Astrofísico Guillermo Haro (OAGH), en Cananea, Sonora. Se trataba de identificar las contrapartes ópticas de las fuentes de rayos X detectadas por un satélite llamado ROSAT (Röntgensatellit), se estudiaron seis regiones en el cielo del norte obteniendo imágenes y espectros en luz visible para identificar el objeto que estaba emitiendo los rayos X, ya que debido a su resolución espacial, los telescopios de rayos X no pueden “ver” con gran precisión la posición del objeto emisor, por lo que es necesario observar, en el intervalo visible del espectro electromagnético, varios objetos alrededor de las coordenadas de cada fuente ROSAT para determinar la naturaleza de la fuente emisora de rayos X.

Imágenes en rayos X del remanente de supernova llamado “Cygnus Loop” obtenidas con tres telescopios. Izquierda: imagen obtenida con telescopios colo- cados en cohetes; centro: imagen obtenida por el satélite ROSAT con el instrumento “High Resolution Imager”; derecha: imagen obtenida por ROSAT con el instrumento “Position Sensitive Proportional Counter”. Imagen obtenida de http://imagine.gsfc.nasa.gov/Images/science/cygnus_loop_full.jpg

Imágenes en rayos X del remanente de supernova llamado “Cygnus Loop” obtenidas con tres telescopios. Izquierda: imagen obtenida con telescopios colo- cados en cohetes; centro: imagen obtenida por el satélite ROSAT con el instrumento “High Resolution Imager”; derecha: imagen obtenida por ROSAT con el instrumento “Position Sensitive Proportional Counter”. Imagen obtenida de http://imagine.gsfc.nasa.gov/Images/science/cygnus_loop_full.jpg

 

ROSAT, que fue lanzado en 1990 y duró hasta 1999, fue el primer contacto con los rayos X que tuve, ya que identificando en el óptico fuentes detectadas con este satélite es que realicé mi tesis doctoral.

Este observatorio de rayos X, propuesto por el Max-Planck-Institut für Extrate-rrestrische Physik (MPE), fue diseñado, construido y operado en Alemania, pero con la participación de los Estados Unidos y el Reino Unido. Ha sido también uno de los satélites clave para cambiar la visión del cielo en estas frecuencias.

 

Los rayos desconocidos

En 1896 Wilhelm Roentgen reportó desde Würzburg, Alemania, unos rayos misteriosos, de ahí la “X”, que penetraban placas metálicas y que podían mostrar los huesos del cuerpo humano. Unos quince años después se demostró que Roentgen había descubierto una nueva variación, un nuevo intervalo, de la radiación electromagnética, la diferencia es que su longitud de onda era mucho más corta que la luz visible, y por lo tanto de mucha mayor energía; por esta razón estos rayos eran capaces de “apretujarse” y atravesar aun placas delgadas de metal.

 

La atmósfera

Aunque estos descubrimientos ampliaron los horizontes de la investigación en la  Física, no tuvieron influencia inmediata directa en la astronomía debido principalmente a que, afortunadamente, la atmósfera de la Tierra deja pasar la luz visible y las ondas de radio, sin que sean parcial o completamente absorbidas, mientras que la luz ultravioleta, que amenazaría la vida en la Tierra, no la atraviesa, como tampoco lo hacen los rayos X o los gamma.

De tal manera que estos y otros intervalos espectrales, con excepción de algunas bandas muy angostas en el infrarrojo, pueden ser detectadas solo si salimos de la atmósfera para librarnos de sus efectos. Por esta razón es que se han colocado telescopios y detectores a gran altura, al inicio en globos, luego en cohetes y lo más eficiente ha sido en satélites.

 

Siempre hay sorpresas

Los primeros telescopios de rayos X se utilizaron principalmente para observar el Sol, ya que siendo una fuente muy brillante, debido a su cercanía, facilitaría su detección teniendo en cuenta la tecnología de la época. Calculando la intensidad de la radiación de la estrellas más cercanas y suponiendo que emiten con la misma intensidad que el Sol, se estimó que los detectores debían ser 100 mil veces más sensibles que los existentes para poder detectarlas. Esto causó una pérdida de interés en algunos científicos, pero no en todos.

El grupo liderado por uno de los astrónomos más influyentes en la banda de los rayos X, Ricardo Giacconi, luego de varios intentos, y en realidad buscando la detección de rayos X en la Luna, registró en 1962 la fuente denominada Sco X-1, la primera fuente rayos X en la dirección de la constelación del Escorpión y la primera fuente fuera del Sistema Solar. Un paso gigantesco ya que, como mencionamos antes, muchos científicos no creían posible detectar fuentes de este tipo.

Para que se generen rayos X se requiere que haya condiciones ambientales extremas. Los rayos X tienen longitudes de onda muy cortas, son mucho más energéticos que la luz visible, por lo que se requiere considerablemente mucha más energía para producirlos.

Pasaron varios años para descubrir la naturaleza de la fuente Sco X-1, se trata de lo que llamamos un sistema binario de rayos X de baja masa, estrellas ligadas gravitacionalmente que están intercambiando material; sin embargo, observaciones posteriores descubrieron más cosas que están siendo estudiadas aún por los satélites de rayos X más recientes.

Por otro lado, debieron pasar otros años más para poder obtener imágenes, y no simples detecciones. Las primeras imágenes, aparte del Sol, en rayos X, se obtuvieron también desde cohetes. El primer objeto que se observó fue el cúmulo de Virgo en 1975, Posteriormente, en 1977, con una óptica especial, se obtuvieron las primeras imágenes de remanentes de supernova.

Luego de estos avances, hubo un gran desarrollo en astronomía de rayos X, tanto en los detectores cada vez más sensibles, como en los telescopios, cada vez con mayor capacidad para colectar este tipo de luz. Los satélites resultaron fundamentales para el avance de la astronomía de rayos X; el primero fue llamado Uhuru, que significa “Libertad” en Swahili. Sin embargo, los grandes avances se dieron con los primeros satélites en órbita, el Observatorio Einstein en 1978, demostró que había una diversidad de objetos en el universo emitiendo en rayos  X, revelando, además, la estructura de objetos extendidos, como las galaxias cercanas y los remanentes de supernova.

Posteriormente se han puesto en órbita otras misiones que han resultado muy exitosas al obtener imágenes cada vez de mejor calidad, algunas de ellas son EXOSAT, ROSAT y ASCA. En particular, ROSAT mostró la capacidad de este tipo de satélites para obtener imágenes científicamente de gran valor.

El desarrollo de los telescopios de rayos X continuó en esta dirección, la misión Chandra de la NASA lanzada en 1999 tiene una resolución 50 veces superior a la de ROSAT. Sus imágenes revelan grandes detalles antes no disponibles. Este es un gran logro, que se debe en mucho a la tecnología aplicada a los espejos del telescopio para darles una  alta calidad. Cabe mencionar que los espejos tiene una configuración distinta a los telescopios ópticos, en lugar de estar alineados, están anidados. Podemos imaginarnos barriles de diferentes tamaños colocados uno dentro del otro, tienen la superficie interior aluminizada para que de esta manera utilicen el principio de incidencia rasante y colecten la mayor cantidad de luz posible.

Aunque existen actualmente varias misiones importantes como Suzaku, XMM-Newton o NuSTAR, los astrónomos no dejan de planear las siguientes. Si al principio de la astronomía de rayos X parecía que no se detectaría ningún objeto distinto al Sol, ahora, mientras se sigan desarrollando mejores detectores y telescopios para observar más profundo en el cielo, sabemos que encontraremos nuevas y sorprendentes cosas.

Es claro que el desarrollo de las ciencias espaciales nos ha permitido ver el cielo de una manera completamente diferente a la de nuestros antepasados. Aún las impresionantes noches estrelladas en las que se observan brillantes puntos con mínimas variaciones, contrastan con el cielo en rayos X, en el que podemos apreciar patrones siempre cambiantes. Esto se debe a que se requieren procesos extremos que involucran gran energía para poder generar  radiación también de gran energía.

Binarias interactuantes, enanas blancas, supernovas, galaxias activas, cúmulos de galaxias, emiten y son estudiados en estas frecuencias. El cielo en rayos X es como “fuegos artificiales perpetuos en patrones siempre cambiantes”.

rmujica@inaoep.mx