Lo que el ojo no ve: el exótico universo de las altas energías Understand article

Author(s): Claudia Mignone, Rebecca Barnes

Traducido por José L Cebollada. En este tercer artículo de la serie sobre astronomía y espectro electromagnético, vamos a descubrir los fenómenos cósmicos, exóticos y energéticos que investigan los científicos en los observatorios de rayos X y rayos gamma. Entre ellos están las…

Imágenes cortesía de ESA /
AOES Medialab

En los años 60, con la era espacial comenzó la astronomía de altas energías. Por primera vez los astrónomos podían observar el Universo con ojos de rayos-X y rayos gamma. La radiación electromagnética (EM) procedente del espacio tiene, a estas frecuencias, propiedades extremas como temperaturas muy elevadas, densidades enormes o campos magnéticos inusualmente intensos. Desde los observatorios terrestres no se podían estudiar estas radiaciones, pues tenían longitudes de onda demasiado cortas como para atravesar la atmósfera terrestre (Figura 1). Desde fuera de la atmósfera, estos primeros observatorios nos descubrieron un Universo turbulento y en continuo cambio.

En apenas medio siglo, las observaciones hechas a altas energías han cambiado mucho nuestra visión del cosmos. Los astrónomos han descubierto, estudiando el cielo en la región de rayos X y gamma, varias fuentes nuevas de radiación y han ampliado el catálogo de objetos estelares. Para examinar el universo en la región de los rayos X y gammaw1, la Agencia Europea del Espacio (ESA; ver recuadro) dirige dos misiones de observación: la XMM-Newton (rayos X) y la INTEGRAL (rayos X y gamma). Las técnicas utilizadas en la astronomía de rayos X y gamma por estas dos misiones se analizaron en el segundo artículo de la serie (Mignone & Barnes, 2011b); este artículo muestra los logros de estas misiones, desde la vida de las estrellas a la estructura del Universo. La visión el espectro EM y su papel en la astronomía, puede conocerse leyendo el primer artículo de la serie (Mignone & Barnes, 2011a).

Figura 1: El espectro EM con las regiones de altas energías en las que operan los observatorios de la ESA XMM-Newton e INTEGRAL . Los rayos X proceden de fuentes a millones de grados; los rayos gamma, de fuentes a cientos de millones de grados. El XMM-Newton detecta rayos X a energías entre 150-1.5 x 104 eV, mientras que INTEGRAL detecta tanto rayos X a 3 x 103-3.5 x 104 eV como rayos gamma a 1.5 x 104 keV – 1.0 x 107 keV. Haga clic sobre la imagen para ampliarla
Imágenes cortesía de ESA/ AOES Medialab

Desvelar el nacimiento y la muerte de las estrellas

Las estrellan nacen cuando la gravedad consigue colapsar las nubes de gas, polvo y rocas para formar protoestrellas. Estas protoestrellas crecen hasta convertirse en verdaderas estrellas cuando la fusión nuclear se inicia en el núcleo. La masa de la estrella marcará su evolución; las estrellas masivas tendrán una vida corta y final más espectacular que sus compañeras más ligeras (figura 2).

Figura 2: El ciclo de vida de las estrellas. Haga clic sobre la imagen para ampliarla
Imágenes cortesía de ESA / AOES Medialab

El nacimiento y la muerte de las estrellas son los momentos más interesantes para la astronomía de rayos X y gamma. Algunas estrellas muy jóvenes emiten mucha energía en la región de los rayos X y los astrónomos las observan analizando la región donde se forman las estrellas con telescopios de rayos X como el XMM-Newton (Figura 3). Las estrellas jóvenes más masivas liberan radiaciones muy energéticas y gas muy caliente que influyen en el nacimiento de estrellas cercanas y se pueden observar en la región de los rayos X. Los astrónomos han detectado burbujas de gas caliente procedente de jóvenes estrellas masivas en muchas regiones del espaciow2, utilizando el XMM-Newton en la Nebulosa Orión y en la región de formación de estrellas NGC 346. Esta investigación nos ayuda a comprender cómo la formación de estrellas masivas influye en el nacimiento de otras estrellas en sus proximidades, un tema de actualidad en astrofísica.

Figura 4: Imagen en rayos X
de los restos de la supernova
SN 1006 tomada por el XMM-
Newton. Son los restos de
una supernova que vieron
los astrónomos chinos en
el año 1006. En la esquina
superior izquierda e inferior
derecha están las ondas de
choque donde partículas
como los electrones se
aceleran a velocidades muy
altas
Imágenes cortesía de CEA /
DSM / DAPNIA / SAp /
J Ballet and ESA
Figura 5: Visión artística de
una estrella binaria en rayos
X. Con este campo
gravitatorio tan intenso, el
agujero negro de la derecha
atrapa materia de su
compañera, una supergigante
azul, en la derecha. Las
bandas de material en forma
de espiral sobre el agujero
negro forman el disco de
acreción, que emite gran
cantidad de energía en las
regiones más energéticas del
espectro También se
observan dos erupciones de
partículas energéticas desde
las proximidades del agujero
negro
Imágenes cortesía de ESA /
AOES Medialab
Figura 3: La región de
formación de estrellas NGC
346 se sitúa en la Pequeña
Nube de Magallanes, una
galaxia próxima a la Vía Láctea.
Esta imagen de falso color
combina las observaciones del
XMM-Newton en Rayos X
(en azul) con los datos del visible
(en verde) y del infrarrojo
(en rojo) de los telescopios
espaciales Hubble y Spitzer,
respectivament
Imágenes cortesía de NASA / JPL-
Caltech / D Gouliermis (Max-
Planck Institute for Astronomy,
Heidelberg, Germany) and ESA

Al final del ciclo las estrellas masivas explotan como supernovas (como describen Székely & Benedekfi, 2007), calentando el gas a temperaturas extremas y acelerando las partículas, como los electrones a velocidades muy altas. Esto genera una emisión intensa de rayos X y rayos gamma (Figura 4). Más aún, muchos elementos más pesados que el hierro, como el plomo, níquel y oro se sintetizan durante las explosiones de supernova (para saber más ver Rebusco et al., 2007). Algunos de estos elementos son radioactivos y decaen en isótopos estables emitiendo rayos gamma en el proceso. Utilizando INTEGRAL, los astrónomos han analizado la Vía Láctea y han encontrado trazas del isótopo radiactivo aluminio-26. Al igual que los arqueólogos, han profundizado en la historia de nuestra galaxia y han elaborado un censo de las supernovas. El resultado demuestra que en la Vía Láctea hay una explosión supernova aproximadamente cada 50 añosw3.

Figura 6: La galaxia activa
Centaurus A (NGC 5128).
Esta imagen en falso color
combina las observaciones
del XMM-Newton en la
región de rayos X (cian,
azul y púrpura en orden
creciente de energía) con
datos del infrarrojo lejano
(amarillo) y longitudes de
onda submilimétricas (rojo)
del observatorio espacial de
la ESA, Herschel En la región
del los rayos X se pueden
observar unas fuentes en
forma de puntos: son las
binarias de rayos X de
nuestra galaxia, la Vía Láctea
Imágenes cortesía de ESA /
XMM-Newton (rayos X); ESA /
Herschel / PACS / SPIRE / CD
Wilson, McMaster University,
Hamilton, Ontario, Canada
(infrarrojo lejano y
submilimétrico)

Después de la explosión de la supernova queda un resto muy masivo y extremadamente denso que puede dar lugar a una estrella de neutrones o a un agujero negro.

Esta enorme masa concentrada en un espacio muy pequeño crea campos gravitatorios extremadamente intensos y ejerce una atracción fuerte a la materia próxima, pero es bastante difícil de detectar. Sin embargo, si la estrella de neutrones o el agujero negro es parte de un sistema estelar binario (dos estrellas girando en torno a su centro de masas), podría comenzar a atrapar la materia de su estrella vecina; la acumulación de materia eleva la temperatura a millones de grados y emite rayos X y rayos gamma. Esta emisión de alta energía puede ser utilizada para localizar estrellas de neutrones o agujeros negros.

Estas agrupaciones se llaman binarias de rayos X (figura 5) y se descubrieron a finales de los 60 a través de observaciones en rayos X. Hasta entonces, las estrellas de neutrones sólo predicciones teóricas y estas observaciones aportaron las primeras pruebas de su existencia.

Desde entonces, varias generaciones de observatorios espaciales han ayudado a los astrónomos a saber más. El XMM-Newton y el INTEGRAL han estudiado muchas binarias de rayos X (que también pueden emitir rayos gamma) y han revelado importantes detalles sobre la física de las estrellas de neutrones y los agujeros negros. Por ejemplo, el estudio de los rayos gamma procedentes de Cygnus X-1 estudiados con INTEGRALw4, ayudó a entender mejor el proceso de acreción de la materia desde el disco hacia el agujero negro y la emisión simétrica de dos chorros de materia.

El universo lejano

Figura 7: Observaciones del
cúmulo de galaxias muy
distantes CL J1449+0856
tomada con rayos X (púrpura
brillante) junto con las
imágenes del XMM-Newton
sobre la imagen tomadas
desde telescopios terrestres
de infrarrojo cercano. La
mayoría de los objetos
visibles en la imagen son
tenues y corresponden a
galaxias distantes. Las
galaxias pertenecientes al
cúmulo se aprecian como
una tenue agrupación de
objetos rojos. Con una
temperatura de más de 20
millones de grados, el gas
caliente del espacio
intergaláctico emite con
mucha intensidad en la
región de rayos X
Imágenes cortesía de ESA /
ESO / Subaru / R Gobat et al.

Los astrónomos de altas energía no sólo observan el nacimiento y muerte de las estrellas en la Vía Láctea y las galaxias vecinas, también usan los rayos X y gamma para investigar regiones lejanas del Universo –incluyendo agujeros negros y agrupaciones de galaxias.

Todas las galaxias grandes albergan en su centro un agujero negro supermasivo, de masa desde unos pocos millones de veces la del Sol hasta unos miles de millones. Algunas galaxias, las galaxias activas, contienen agujeros negros supermasivos que, al contrario que el del centro de la Vía Láctea, están activos. Devoran materia de sus alrededores y liberan radiación de altas frecuencias y partículas muy energéticas (figura 6).

Los observatorios XMM-Newton e INTEGRAL, de la ESA, son herramientas ideales para localizar galaxias activas e investigar el mecanismo que las impulsa. Los astrónomos no pueden ver todos los detalles en las fuentes de altas energías muy distantes, así que tienen que recoger datos de muchas de las galaxias activas lo más próximas posible. Mediante la combinación de datos de galaxias próximas y distantes, los astrónomos han predicho el mecanismo de acreción de materia de los agujeros negros a través de discos de materia y cómo estos discos pueden estar rodeados de nubes de gasw5.

Figura 8: Este mapa compara
la distribución de materia
‘normal’ caracterizada
gracias a nubes de gas
caliente observadas por el
XMM-Newton (en rojo) y
estrellas y galaxias
observadas con el Telescopio
Espacial Hubble (en gris), con
la distribución de materia
oscura (en azul), que se
infiere por el efecto de lente
gravitacional. El mapa
demuestra cómo la materia
ordinaria del Universo sigue
una estructura de un
‘andamiaje’ inferior formado
por la materia oscura
Imágenes cortesía de NASA /
ESA / R Massey (California
Institute of Technology)

En una escala aún mayor, las galaxias parecen unirse en agrupaciones de varios miles de galaxias. Estas agrupaciones son las estructuras más grandes del Universo formadas por la gravedad y liberan un resplandor difuso de rayos X. Este resplandor, observado por primera vez en los 70 reveló que el espacio intergaláctico de una agrupación contiene enormes cantidades de gas caliente. Junto con otros observatorios en diferentes regiones del espectro EM el XMM-Newton ha observado cientos de agrupaciones de galaxias (figura 7).

Entre las que se encuentra un cúmulo muy lejano, que es una de las primeras estructuras que se formaron en el Universow6, justo 3000 millones de años después del Big Bang. Esto puede parecer mucho tiempo, pero es menos de un cuarto de la edad del Universo.

Las agrupaciones de galaxias se localizan en los puntos más densos de la telaraña cósmica, una gigante rede de estructuras que forman el Universo formado principalmente de materia oscuraw7. Utilizando el XMM-Newton, los astrónomos han localizado materia en los lugares más densamente poblados, así completan la distribución de la estructura cósmica del Universo (figura 8).

Desde el nacimiento de una estrella hasta la muerte de la estructura del Universo, ¿qué será lo siguiente? Los observatorios de rayos X y rayos gamma, incluidos XMM-Newton e INTEGRAL siguen observando atentamente el siempre cambiante cielo de las altas energías, grabando repentinas erupciones violentas de rayos X y rayos gamma. Los astrónomos siguen intentando desvelar las maravillas celestes y resolver los misterios del Universo gracias a los observatorios espaciales.

 

Más sobre la ESA

La Agencia Europea del Espacio (European Space Agency (ESA)w8) es la mayor ventana al espacio; organiza programas para saber más sobre la Tierra, sus alrededores más próximos, nuestro Sistema Solar y el Universo. También coopera en la exploración con naves tripuladas, en el desarrollo de tecnologías y servicios basado y promueve las industrias europeas.

La división de Ciencia y Exploración Robótica está dedicada al programa de investigación espacial y a la exploración robótica del Sistema Solar. En el intento de comprender el Universo, las estrellas, los planetas e incluso el origen mismo de la vida, los satélites espaciales de la ESA escudriñan las profundidades del cosmos y miran a las galaxias más lejanas, estudian el Sol con un detalle nunca visto y exploran nuestros planetas vecinos.

ESA es miembro de EIROforumw9, editor de la revista Science in School.

 

References

Web References

Resources

Institutions

Author(s)

Claudia Mignone, Vitrociset Belgium for ESA – European Space Agency, es escritora científica para la ESA. Es licenciada en Astronomía por la Universidad de Bolonia, Italia, y doctora en cosmología por la Universidad de Heidelberg, Alemania. Antes de unirse a la ESA trabajó en la oficina de relaciones exteriores del ESO, European Southern Observatory.

Rebecca Barnes, HE Space Operations de la ESA – European Space Agency, técnico en educación de la división de Ciencia y exploración robótica. Licenciada en astrofísica por la Universidad de Leicester, Reino Unido, anteriormente trabajó en los departamentos de educación y comunicación del National Space Centre del Reino Unido. Para saber más sobre las actividades de la división de Ciencia y Exploración Robótica de la ESA, contactar con Rebecca, SciEdu@esa.int

Review

Este artículo es el tercero de una serie que describe la investigación europea en el ámbito de la astronomía de altas energías. El segundo artículo comentaba las técnicas utilizadas por las misiones XMM-Newton (rayos X) e INTEGRAL (rayos X y rayos gamma); este artículo describe algunos de los resultados, incluyendo ideas sobre el nacimiento y muerte de las estrellas o el Universo lejano.

Para los estudiantes de cursos superiores (+16) el artículo es ideal para clase de física, donde puede usarse para conocer la astrofísica (vida de las estrellas, objetos cósmicos, teoría del Big Bang), óptica o incluso física cuántica (líneas espectrales, relaciones entre longitud de onda y energía, ondas EM), masa y gravedad. También puede ser usado en geografía en temas sobre el Universo, el Sistema Solar y los objetos cósmicos.

Para hacerlo más accesible a los estudiantes más jóvenes (de 10 a15 años), sugiero que el profesor seleccione algunas partes del artículo.
El artículo también puede ser útil en clase de inglés o- una vez traducido- en clases de alemán, francés u otros idiomas. Como el artículo no es muy técnico, puede ser usado por profesores sin demasiado conocimiento en física.

El artículo puede usarse para fomentar la discusión con preguntas como éstas:

  1. Describe las misiones espaciales europeas XMM-Newton e INTEGRAL.
  2. Muestra una visión general del espectro electromagnético (incluyendo visible, IR y UV).
  3. ¿Cuál es la relación entre longitud de onda, energía y frecuencia?
  4. ¿Por qué se usan los observatorios espaciales además de los terrestres?
  5. ¿Por qué las fuentes que emiten principalmente en la región de los rayos gamma están a más temperatura que las que emiten en la región de rayos X?
  6. ¿Por qué hay estrellas binarias de rayos X?
  7. ¿Qué sucede cuando una estrella masiva se muere?

Gerd Vogt, Higher Secondary School for Environment and Economics, Yspertal, Austria

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