Astronomía de rayos X

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Astronomía de rayos X


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INTRODUCCIÓN

Astronomía de rayos X, detección y estudio de la radiación electromagnética emitida por los cuerpos celestes en forma de rayos X. La astronomía de rayos X proporciona a los astrofísicos un medio de estudiar ciertos acontecimientos violentos y ricos en energía que se producen en el Universo. Casi todas las categorías de objetos astronómicos, desde estrellas cercanas hasta quásares distantes, emiten rayos X en algún momento de su ciclo vital.
Los rayos X son una parte de un amplio espectro de energía denominado radiación electromagnética. Las ondas electromagnéticas van desde los rayos gamma, de alta energía y baja longitud de onda, hasta las ondas de radio de baja energía y longitud de onda elevada, pasando por la luz visible. Los rayos X tienen longitudes de onda más cortas y energías más elevadas que la luz visible y la radiación ultravioleta, pero su longitud de onda es mayor que la de los rayos gamma. Son suficientemente potentes, y su longitud de onda es lo suficientemente baja, para atravesar muchos materiales que reflejan o absorben la luz visible.
Los objetos o regiones del espacio emiten rayos X por alguna de las dos causas siguientes. La mayor parte de los rayos X procede de regiones en las que un gas se ha calentado a decenas de millones de grados. Este calentamiento se puede deber a las ondas de choque procedentes de enormes explosiones estelares, a la precipitación del gas en campos gravitatorios intensos (véase Gravitación) u otros acontecimientos ricos en energía, que provocan que el gas emita rayos X. La emisión de rayos X provocada por un gas caliente se denomina emisión térmica. Los rayos X también se pueden emitir cuando un campo magnético muy intenso acelera los electrones hasta velocidades próximas a la de la luz. Este tipo de emisión de rayos X se denomina no térmica.


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DETECCIÓN DE LOS RAYOS X

Aunque los rayos X atraviesan fácilmente muchos objetos macizos, la atmósfera terrestre absorbe la mayor parte de este tipo de radiación que incide sobre ella. Por lo tanto, la astronomía de rayos X necesita instrumentos situados por encima de la atmósfera. Los astrónomos emplean cohetes, globos y satélites para situar sus instrumentos más allá de la atmósfera. También deben usar telescopios y detectores especiales, puesto que los rayos X atraviesan los telescopios ordinarios.
Los telescopios de rayos X reflejan y enfocan estos rayos para producir una imagen utilizable por los astrónomos. Muchos telescopios de rayos X emplean un espejo metálico con forma hiperbólica, parabólica, o una combinación de ambas. El espejo o reflector de estos telescopios de rayos X —denominados telescopios de incidencia rasante— no es relativamente plano, como el de los telescopios ópticos, sino casi cilíndrico. Cuando los rayos X llegan al reflector, inciden de forma rasante sobre su superficie. El ángulo entre el reflector y los rayos X es justo lo suficientemente grande para que el reflector los refleje hacia un foco central, pero no lo bastante como para que absorba los rayos X o los deje pasar a través de él. La mayoría de los telescopios de rayos X contienen varios reflectores concéntricos; cada reflector aumenta la potencia de captación de radiación de telescopio.
Otro tipo de telescopio de rayos X —denominado telescopio multicapa— tiene un reflector más plano, más parecido al de un telescopio óptico. Muchos de los rayos X que inciden sobre el reflector de un telescopio multicapa lo atraviesan, pero unas capas muy finas de materiales especiales intensifican los rayos X que sí son reflejados. Los telescopios multicapa pueden captar radiación procedente de una zona del cielo mayor que un telescopio de incidencia rasante.
Los reflectores de los telescopios de rayos X de incidencia rasante o multicapa captan y enfocan la radiación, pero la información obtenida debe ser registrada para que los astrónomos puedan utilizarla. Unos detectores que actúan como cámaras electrónicas detectan y registran la radiación que llega al punto focal del telescopio. Un detector puede ser un dispositivo de acoplamiento de carga (CCD), un detector de placa microcanal o una cámara de ionización (véase Detectores de partículas: Cámara de ionización). Los tres tipos de detectores registran como señal electrónica la ubicación de cada fotón de rayos X que incide sobre el detector.
Un CCD es una red de fotodiodos (circuitos eléctricos sensibles a la radiación electromagnética). El CCD registra la ubicación de cada fotodiodo sobre el que incide un fotón de rayos X (un fotón es un paquete de radiación electromagnética). También registra la energía del fotón, que depende de su frecuencia, y por tanto de su longitud de onda.
Un detector de placa microcanal es una red de minúsculos tubos huecos. Los tubos están recubiertos por una sustancia que emite electrones cuando incide sobre ella un fotón de rayos X. Cuando un fotón entra en uno de los tubos, éste envía una señal eléctrica. El detector registra la ubicación de cada fotón, pero no puede determinar la frecuencia de la radiación.
Una cámara de ionización es una cámara que contiene un gas y una red de cables. Cuando un fotón de rayos X penetra en el gas, produce un electrón que ioniza el gas circundante arrancando electrones de las moléculas de gas o cediéndoselos, dejando a su paso moléculas de carga positiva o negativa, llamadas iones. Los iones de gas positivos o negativos envían una señal eléctrica por el cable más próximo, lo que indica aproximadamente la ubicación del fotón. Las cámaras de ionización no son tan buenas como los otros detectores a la hora de detectar la posición del fotón, pero pueden medir la energía del fotón mejor que las placas microcanal. Los astrónomos interesados en determinar la ubicación y tamaño exactos de un objeto emisor de rayos X necesitan buenas medidas de la posición. Los científicos que miden las características de la radiación emitida por un objeto necesitan buenas medidas de la longitud de onda y la energía.

Fuentes de rayos X

Cualquier objeto celeste que produzca gases calientes o campos magnéticos intensos puede emitir rayos X. Entre estos objetos figuran fuentes situadas dentro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, y fuentes externas a la Vía Láctea. Las fuentes galácticas incluyen estrellas, estrellas dobles o binarias, púlsares, emisoras explosivas de rayos X y restos de supernovas. Entre las fuentes extragalácticas se hallan las galaxias de rayos X, los quásares y la radiación de fondo de rayos X. Algunos objetos sólo emiten una parte minúscula de su energía total en forma de rayos X. Otros pueden ser tenues en el espectro visible y emitir una radiación intensa de rayos X.

Fuentes galacticas

Una estrella normal como nuestro Sol genera rayos X en su capa externa, la llamada corona, que alcanza temperaturas elevadas. Las erupciones solares, o estelares, también emiten rayos X. La superficie de la mayoría de las estrellas ordinarias es demasiado fría para generar rayos X.
Una binaria de rayos X es una pareja de estrellas que emite este tipo de radiación. Las binarias de rayos X están formadas por una estrella normal que orbita en torno a un objeto muy denso, como una enana blanca, una estrella de neutrones o un agujero negro. La atracción gravitatoria del objeto denso arranca parte de la atmósfera externa de la estrella normal. El flujo de material procedente de la atmósfera estelar forma un disco que gira en torno al objeto más denso. Este gas se calienta por rozamiento y emite rayos X.
Las estrellas de neutrones pueden emitir rayos X debido al intenso campo magnético que las rodea, hasta un billón de veces superior al de la Tierra. Una estrella de neutrones es el núcleo extremadamente denso, que gira a gran velocidad, de una estrella que ha explotado en una supernova. Si tiene una compañera cercana, la intensa gravedad de la estrella de neutrones arranca material de la otra estrella. El campo magnético de algunas estrellas de neutrones es tan intenso que obliga al material atrapado a caer sobre su superficie a través de una especie de embudos magnéticos situados en los polos de la estrella. El rozamiento calienta el material entrante y hace que emita rayos X. El campo magnético de la estrella también afecta a los rayos X emitidos, forzándolos a salir en haces estrechos desde los polos magnéticos. La estrella de neutrones parece emitir los rayos X de forma pulsante porque la estrella gira varias veces por segundo, orientando los puntos calientes de los polos hacia la Tierra como si fuera un faro giratorio. Las estrellas de neutrones que emiten rayos X de este modo se denominan púlsares de rayos X.
Algunas estrellas de neutrones tienen campos magnéticos más débiles que permiten que el material entrante caiga sobre toda la superficie de la estrella. Con el tiempo, se acumula tanto material que la capa superficial se hace suficientemente densa para desencadenar una gran explosión termonuclear. La explosión calienta el gas y hace que genere rayos X. Este tipo de estrellas de neutrones —denominadas emisoras explosivas de rayos X— puede aumentar su producción de rayos X un millón de veces durante una explosión. La radiación de rayos X se va debilitando, y el sistema binario entra en un largo periodo de tranquilidad mientras se vuelve a acumular material de la otra estrella en la superficie de la estrella de neutrones.
Ciertas estrellas muy masivas explotan en una supernova al final de su vida. La estrella comienza a agotar su combustible nuclear y empieza a colapsarse. Llega un momento en que la densidad cada vez mayor de la estrella desencadena una última y enorme explosión nuclear. Las ondas de choque generadas por esta explosión calientan el gas interestelar hasta tal punto que el gas emite rayos X durante miles de años.

Fuentes extragalacticas

Astronomía de rayos X
Telescopio de rayos X Chandra
En la fotografía aparece el telescopio espacial de rayos X Chandra en el interior de la bodega de carga del transbordador Columbia, en el Centro Espacial John F. Kennedy, días antes de su lanzamiento en 1999.
AFP/Corbis
La mayoría de las galaxias contiene el mismo tipo de objetos emisores de rayos X que los que existen en la Vía Láctea, pero estas galaxias están tan distantes que generalmente no es posible detectar esas fuentes desde la Tierra. Sólo se pueden detectar objetos extragalácticos de energía muy elevada, como grandes supernovas o agujeros negros extremadamente masivos. Los centros de muchas galaxias son emisores potentes de rayos X. Los astrónomos creen que esto se debe a que casi todas las galaxias tienen en su centro un agujero negro supermasivo. Estos agujeros negros tienen una masa entre un millón y 1.000 millones de veces superior a la del Sol, y producen campos gravitatorios y magnéticos muy intensos. En las galaxias especialmente activas en el espectro de rayos X (galaxias de rayos X), a menudo existe gran cantidad de material en torno al agujero negro del núcleo galáctico. Al precipitarse esta materia hacia el agujero negro, el rozamiento calienta el gas y el polvo lo suficiente para generar rayos X. Los electrones también son atrapados y acelerados por el campo magnético del agujero negro, produciendo rayos X.
El telescopio espacial de rayos X Chandra, lanzado por la NASA en julio de 1999, detectó por primera vez, en noviembre de 2002, la existencia de dos agujeros negros supermasivos en el centro de una misma galaxia. Otros telescopios, trabajando en otras regiones del espectro (visible, infrarrojo y radio), habían observado ya dos núcleos brillantes en esta galaxia, situada a 400 millones de años luz de la Tierra, pero no pudieron determinar su naturaleza; las emisiones de rayos X permitieron al telescopio Chandra estudiar los dos objetos por separado e identificarlos como agujeros negros supermasivos.
Los cúmulos de galaxias figuran entre las fuentes de rayos X más luminosas del cielo. Los rayos X son producidos por enormes cantidades de gas hidrógeno muy caliente que existen en estos cúmulos. Los astrónomos han comprobado que la cantidad de materia visible en el cúmulo no es suficiente para explicar cómo tanto gas se ve comprimido y calentado a temperaturas tan elevadas. Su conclusión es que debe existir una cantidad enorme de materia oscura —materia que no emite radiación electromagnética por lo que no es visible para los observadores terrestres— para proporcionar la fuerza gravitatoria necesaria para retener el gas en el cúmulo de galaxias.
El Universo en su conjunto también emite radiación de rayos X. La radiación de fondo de rayos X es intensa y uniforme (es decir, igual en todas las direcciones). Esta uniformidad es una de las razones por la que los astrónomos creen que casi todas las galaxias del Universo tienen en su centro un agujero negro emisor de rayos X. La distribución de galaxias en el Universo es uniforme a gran escala, por lo que los rayos X procedentes de agujeros negros galácticos explicarían la uniformidad de esta radiación de fondo.

Historia de la astronomia de rayos X

El físico alemán Wilhelm C. Roentgen descubrió accidentalmente los rayos X en 1895 durante un experimento de laboratorio. Llamó a la radiación “rayos X” porque la x es un símbolo matemático común para lo desconocido. Roentgen y otros científicos descubrieron muy pronto la capacidad de estos rayos para atravesar numerosas sustancias, y aplicaron sus investigaciones sobre rayos X a la medicina y la industria.
Los rayos X procedentes del espacio exterior no fueron descubiertos hasta después de la II Guerra Mundial (1939-1945). Los científicos del Naval Research Laboratory (Laboratorio de Investigación Naval) de Estados Unidos equiparon un cohete V-2 capturado a los alemanes con un detector de rayos X, y lo hicieron atravesar la atmósfera terrestre. El detector registró rayos X procedentes del Sol.
En 1962, un grupo de científicos estadounidenses —entre ellos Riccardo Giacconi, Herbert Gursky, Frank Paolini y Bruno Rossi— envió un detector de rayos X montado en un cohete para estudiar el efecto del Sol sobre la emisión de rayos X de la Luna. Pero, en lugar de ello, el detector captó rayos X procedentes de una fuente intensa en la constelación Escorpio. El objeto, denominado Scorpius X-1 o Sco X-1, fue el primer agujero negro descubierto.
Alentado por este descubrimiento inesperado, Giacconi encabezó el desarrollo del primer observatorio situado en órbita alrededor de la Tierra, llamado Uhuru (“libertad” en lengua swahili). Lanzado en 1970, el Uhuru trazó un mapa de todo el cielo y descubrió unas 300 fuentes de rayos X, muchas más de las que nadie había imaginado nunca.
A finales de la década de 1970, la NASA (National Aeronautics and Space Administration) lanzó una serie de satélites de rayos X con notable éxito, llamados “observatorios astronómicos de alta energía” (HEAO, siglas en inglés). El HEAO-2, también llamado observatorio Einstein, fue el primer observatorio espacial capaz de obtener imágenes de rayos X comparables a las imágenes producidas por telescopios ópticos. El telescopio Einstein reveló que muchas galaxias y quásares activos son potentes emisores de rayos X. Véase Astronáutica.
Durante la década de 1980, las agencias espaciales europea, japonesa y rusa siguieron enviando misiones astronómicas de rayos X dirigidas en gran medida a estudiar en profundidad fenómenos como las emisoras explosivas de rayos X o los púlsares de rayos X.
En la década de 1990, un satélite alemán de rayos X llamado satélite Roentgen (ROSAT) proporcionó una visión más nítida, sensible y amplia de la radiación celeste de rayos X. El estudio del ROSAT de la totalidad del cielo identificó casi 60.000 fuentes de rayos X en todo el Universo. Otros tres satélites de rayos X lanzados durante esa década fueron: el “satélite avanzado para cosmología y astrofísica” (ASCA), el “explorador Rossi de cronomedición de rayos X” (RXTE), ambos estadounidenses, y el “satélite italiano para astronomía de rayos X” (BeppoSAX), de los cuales, el RXTE es el único que continúa operativo.
En diciembre de 1999, cuatro meses después de que la NASA lanzara el telescopio Chandra, la Agencia Espacial Europea puso en órbita otro telescopio de rayos X de tecnología avanzada, el Newton XMM, que envió sus primeras imágenes a principios de 2000. Datos obtenidos por este telescopio durante más de un año, permitieron presentar, en abril de 2003, un catálogo de unas 30.000 fuentes de rayos X, entre las que aparecen localizadas miles de estrellas y galaxias desconocidas hasta entonces.



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