Más de lo que parece: descubriendo el cosmos de altas energías Understand article

Traducido por José Luis García Herrero. Claudia Mignone y Rebecca Barnes exploran los rayos X y los rayos gamma e investigan las ingeniosas técnicas utilizadas por la Agencia Espacial Europea para observar el cosmos en estas longitudes de onda.

A simple vista, con prismáticos o con un telescopio, el cielo estrellado ofrece una vista tranquila y sobrecogedora. Pero si en vez de con luz visible pudiéramos ver el cielo en forma de los energéticos rayos X y rayos gamma, la imagen sería muy diferente: un increíble espectáculo de luz cósmica^w1 (Figura 1).

Algunos de los fenómenos más energéticos y violentos del universo brillan con gran intensidad en estas longitudes de onda cortas, como las explosiones de supernovas (el fiero final de la vida de las estrellas con grandes masas) y los agujeros negros, que devoran materia muy rápidamente. Como muestra de su naturaleza dinámica, muchas fuentes de rayos X y rayos gamma muestran cambios en su brillo, incluso en períodos de tiempo muy breves. Por ejemplo, los estallidos de rayos gamma aparecen como resplandores repentinos que duran sólo unos segundos. Estos estallidos surgen de las que posiblemente sean las explosiones más exageradas del universo (para ampliar esta información, consultar Boffin, 2007). Además, los rayos X y los rayos gamma se emiten a través de procesos físicos diferentes de aquellos causantes de la emisión de luz visible. Esto significa que las galaxias y otros objetos astronómicos se muestran diferentes cuando se obtienen sus imágenes en el extremo más energético del espectro^w2 electromagnético (EM) (Figuras 2 y 3).

Los astrónomos obtuvieron esta primera revolucionaria vista del cosmos a principios de los años 60, con el inicio de la era espacial, cuando los cohetes y los satélites hicieron posible llevar a bordo instrumentos más allá de la barrera oscura que supone la atmósfera de la Tierra^w3. La Agencia Espacial Europea (ESA; ver cuadro)^w4 en seguida se unió a estos proyectos con la misión de rayos gamma COS-B (1975) y el observatorio de rayos X EXOSAT (1983). En la actualidad, ESA opera dos observatorios de este tipo: el satélite Multi-Espejos de Rayos X (XMM-Newton), lanzado en 1999, y el Laboratorio Astrofísico Internacional de Rayos Gamma (INTEGRAL), lanzado en 2002.

¿Cómo funcionan? Como explicamos en un artículo anterior (Mignone & Barnes, 2011), no hay diferencia física entre los rayos X, los rayos gamma, la luz visible y el resto de tipos de radiación EM. Todas son formas de luz, que solo se diferencian en su longitud de onda (o, al estar las tres correlacionadas, su frecuencia y su energía; Figura 4). Sin embargo, dependiendo de su longitud de onda (o de su frecuencia, o de su energía), interaccionan de forma muy diferente con la materia, con consecuencias importantes para la astronomía.

Los sistemas ópticos tradicionales, como nuestros ojos, las cámaras, los microscopios y los telescopios, se basan en lentes (o espejos) que refractan (o reflejan) los rayos de luz y los enfocan en un punto único para generar imágenes. Sin embargo, esto es muy complicado en el caso de los rayos X y los rayos gamma. Debido a que sus longitudes de onda son similares en tamaños a los átomos y a las partículas subatómicas respectivamente, no se reflejan ni se enfocan como la luz visible, sino que tienden a ser absorbidos cuando entran en contacto con materiales más densos (Figura 5).

El hecho de que los rayos X y los rayos gamma son absorbidos por los materiales densos los hace apropiados para muchas aplicaciones, entre las que se incluyen los escáneres médicos y la investigación sobre materiales. Sin embargo, para los astrónomos es un problema: como estos tipos de radiación son absorbidos con facilidad, es muy difícil o imposible enfocarlos, por lo que obtener una imagen nítida de estas fuentes es todo un reto.

A pesar de ello, los científicos han desarrollado técnicas para detectar rayos X y rayos gamma provenientes del cosmos. Estas técnicas difieren en gran medida de las utilizadas en la óptica tradicional, lo cual, unido al hecho del entorno espacial en el que operan los telescopios de altas energías, implica que éstos no se parezcan en nada a los telescopios ópticos.

Técnicas de observación de rayos X

Aunque es muy difícil que los rayos X se reflejen, no es imposible si se consigue que incidan sobre el espejo del telescopio con un ángulo muy pequeño, como en el caso de un canto rodado que rebota sobre el agua. Sin embargo, aunque un ángulo de 20º permite conseguir el “salto de la rana”, los rayos X sólo se reflejan con ángulos mucho menores: 1º o incluso menos. Los rayos X apenas deben rozar el espejo, pues de no ser así son absorbidos.

Para conseguir un ángulo tan pequeño y enfocar los rayos X en un único punto, los espejos usados en los telescopios de rayos X tienen la apariencia de embudos (Figura 6). En realidad, la forma del espejo es una combinación de un paraboloide y un hiperboloide, para asegurar que los rayos X que lo rozan se reflejan dos veces. De esta manera, la luz se enfoca sobre un detector para formar la imagen de la fuente de rayos X.

Esta ingeniosa técnica, denominada óptica de incidencia rasante, presenta un inconveniente importante: para que los rayos X se reflejen y se puedan enfocar, deben viajar casi paralelos a los espejos tubulares, así que estos telescopios sólo pueden recoger cantidades muy limitadas de rayos X. La potencia de un telescopio viene dada por la cantidad de luz que recoge de objetos lejanos, lo cual se suele conseguir por medio de grandes espejos. Por el contrario, para optimizar la potencia de los telescopios de rayos X, es necesario colocar varios espejos acoplados uno dentro de otro, dando lugar a una estructura que recuerda a un puerro gigante. Por ejemplo, cada uno de los tres telescopios a bordo del observatorio espacial XMM-Newton de ESA, está formado por 58 espejos embebidos (Figura 7)^w6.

Aparte de su extraña forma, los espejos del XMM-Newton se diferencian de los de los telescopios convencionales en que están hechos de níquel bañado en oro y no de cristal recubierto de aluminio, puesto que los elementos pesados reflejan con mayor facilidad los rayos X incidentes (para ampliar información, consulta Singh, 2005).

Técnicas de observación de rayos gamma

Si enfocar rayos X es todo un reto, enfocar rayos gamma, el tipo de luz más energético, es casi imposible. Por lo tanto, para obtener imágenes de fuentes cósmicas en esta parte del espectro EM los astrónomos tuvieron que encontrar métodos alternativos.

Muchos instrumentos de astronomía de rayos gamma, incluidos los que están a bordo del observatorio espacial INTEGRAL de ESA, se basan en una técnica de obtención de imágenes denominada máscara codificada. Esta técnica funciona de manera similar a una cámara oscura, sin lentes, con un pequeño agujerito a través del cual pasa la luz, proyectando una imagen invertida en la parte opuesta de la cámara.

En vez del único agujero de la cámara oscura, una cámara de máscara codificada tiene un diseño especial con agujeros y zonas opacas situadas frente al detector. Algunos rayos gamma pasan a través de los agujeros e iluminan algunos píxeles del detector, mientras que otra parte de la radiación es bloqueada por las zonas opacas y se proyectan sombras sobre el detector.

El patrón de píxeles brillantes y oscuros contiene información sobre la localización celeste de las fuentes de rayos gamma, y la intensidad de los píxeles aporta información sobre su brillo^w7. Aunque las imágenes que se obtienen no son muy detalladas, sirven para investigar algunos de los fenómenos más potentes del universo (Figuras 8a y 8b, 9 y 10).

Próximamente…

Mientras lees este artículo, los observatorios XMM-Newton e INTEGRAL de ESA orbitan alrededor de la Tierra, vigilando el universo siempre cambiante de las altas energías, con el fin de ayudar a desentrañar las maravillas celestes. En nuestro próximo artículo, exploraremos algunos de estos fenómenos, como la turbulenta vida y muerte de estrellas de la Vía Láctea, y los agujeros negros gigantes presentes en los centros de galaxias lejanas.

Más sobre ESA

La Agencia Espacial Europea (ESA)^w4 es la puerta de Europa al espacio: desarrolla programas para conocer mejor la Tierra y su entorno espacial más inmediato, el sistema solar y el universo. Además, ESA también coopera en la exploración humana del espacio, el desarrollo de tecnologías basadas en satélites y servicios, y en la promoción de la industria europea.

La Dirección de Ciencia y Exploración Robótica se dedica al programa de ciencia espacial de ESA y a la exploración robótica del sistema solar. En la búsqueda por comprender el universo, las estrellas, los planetas y el origen de la vida, los satélites espaciales de ESA observan las profundidades del cosmos y las galaxias más lejanas, estudian el Sol con un nivel de detalle sin precedentes, y exploran el resto de planetas del sistema solar.

ESA es miembro de EIROforum^w8, la editorial de Science in School.

References

• Bernardelli A (2010) Luces en el escenario: física y teatro. Science in School 17.
• Boffin H (2007) Fusión en el Universo: ráfagas de rayos gamma. Science in School 7.
• Mignone C & Barnes R (2011) Más allá de lo que el ojo ve: el espectro electromagnético. Science in School 20.
• Singh KP (2005) Techniques in X-ray Astronomy. Resonance – Journal of Science Education. 10(6): 15-23.

Web References

• w1 – Película basada en datos de INTEGRAL, comparando el aspecto del cielo en luz visible y en rayos gamma, así como la variabilidad de la emisión de rayos gamma de fuentes situadas en el núcleo de la Vía Láctea: http://sci.esa.int/GalacticBulge_video
• w2 – Animación de los diferentes aspectos de la galaxia M82 en luz visible, ultravioleta y rayos : http://sci.esa.int/science-e-media/img/40/M82Zoom410x354.gif
• w3 – Conferencia Premio Nobel 2002 de Riccardo Giacconi: ‘The Dawn of X-ray Astronomy’ (“El Amanecer de la Astronomía de Rayos X”) http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2002/giacconi-lecture.html
• w4 – Más información sobre ESA disponible en: www.esa.int

  • Información sobre las actividades de la Dirección de Ciencia y Exploración Robótica de ESA: http://sci.esa.int

  • ESA ofrece gratuitamente sus recursos educativos al profesorado de sus 18 estados miembros. Muchos recursos están traducidos a varias lenguas europeas: http://www.esa.int/Education/Teachers_Corner

  • Instrucciones y modelos para construir en papel muchas sondas espaciales de ESA (incluidos los telescopios XMM-Newton e INTEGRAL) disponibles en: https://www.esa.int/Education/Classroom_tools

  • La galería multimedia de ESA ofrece más de 10000 imágenes, videos y animaciones relacionadas con el espacio: www.esa.int/esa-mmg/mmghome.pl

• w5 – Simulación interactiva del efecto fotoeléctrico, y algunas actividades relacionadas, disponibles en el sitio web de PhET website (http://phet.colorado.edu) o en el enlace directo: http://tinyurl.com/679wytg

  • Más información sobre el efecto fotoeléctrico: http://physics.info/photoelectric

• w6 – Animación de la trayectoria de la luz a través de los telescopios XMM-Newton: http://sci.esa.int/jump.cfm?oid=45618
• w7 – Más información sobre la cámara de máscara codificada www.sron.nl/~jeanz/cai/coded_intr.html
• w8 – Más información sobre EIROforum: www.eiroforum.org

Resources

• Los vodcasts Science@ESA exploran el universo a través de los ojos de la flota de sondas de ESA. El episodio 5 (‘The untamed, violent Universe’ – “El Universo violento e indómito”) ofrece una muestra del universo caliente, energético y a menudo violento, y de las misiones de ESA que lo detectan por medio de la astronomía de rayos X y rayos gamma. Visita: http://sci.esa.int/vodcast

Institutions

Author(s)

Claudia Mignone (Vitrociset Bélgica para ESA) es periodista científica de ESA. Es graduada en astronomía por la Universidad de Bolonia (Italia) y completó su doctorado en cosmología en la Universidad de Heidelberg (Alemania). Antes de trabajar para ESA, trabajó en la oficina de comunicación pública del Observatorio Austral Europeo (ESO).

Rebecca Barnes, (HE Space Operations para ESA) es responsable de educación en la Dirección de Ciencia y Exploración Robótica y Científica de ESA. Es graduada en física y astrofísica por la Universidad de Leicester (Reino Unido), y con anterioridad trabajó en el departamento de comunicación de ciencia y educación del Centro Nacional del Espacio del Reino Unido. Para más información sobre las actividades de la Dirección de Ciencia y Exploración Robótica y Científica de ESA, puedes contactar con Rebecca en la dirección SciEdu@esa.int

 

Review

Este artículo explica de la manera sencilla y comprensible cómo se recogen los rayos X y los rayos gamma procedentes de fuentes cósmicas por medio de modernos telescopios, ofreciendo además algunas imágenes espectaculares.

Para los profesores de educación primaria, el artículo puede servir como motivación para la creación de una maqueta de un telescopio. Se podría construir con materiales reciclados, aunque también se pueden descargar las maquetas del sitio web de ESA^w4. Las coloridas imágenes del artículo se pueden usar a modo de exposición en el aula.

Los profesores de ciencias o física de educación secundaria (edades 11-16) pueden relacionar el tema de la obtención de imágenes de rayos gamma por medio de una cámara oscura. Sería apropiado en contenidos relacionados con óptica, recalcando que tanto la cámara oscura como la obtención de imágenes con la máscara codificada funcionan sin lentes.

Las imágenes tomadas en los observatorios de ESA^w4 pueden ser un apoyo importante para explicar las observaciones espaciales, así como para ayudar a los estudiantes a familiarizarse con diversos fenómenos astronómicos mencionados en el artículo (galaxias, agujeros negros, supernovas, estrellas de neutrones, aniquilación de materia y antimateria…) También puede servir para animar a los alumnos a emprender algún tipo de investigación por su cuenta en áreas relacionadas con el currículo.

Para los profesores de alumnos más mayores, el artículo puede ser interesante para exponer los diferentes tipos de telescopios de altas energías que se encuentran a bordo de los observatorios espaciales XMM-Newton e INTEGRAL, así como las técnicas utilizadas para filtrar los datos hasta que las imágenes se extraen por completo (podría relacionarse con las TIC). Los alumnos podrían comparar la estructura de los telescopios de la parte más energética del espectro electromagnético con la estructura de los telescopios ópticos, así como investigar las dificultades encontradas en su construcción.

Stephanie Maggi-Pulis, Malta

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