La astronomía de los Rayos X

Hoy entrevistamos a Anna Wolter, nuestra primera investigadora internacional. De nacionalidad italiana, esta valerosa mujer ha dedicado su vida al estudio de la astronomía, en particular, del papel que tienen los Rayos X en esta ciencia. Por eso, ¿quién mejor que ella para enseñarnos sobre el tema?

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¿Qué son los rayos X?

La gente suele pensar que los rayos X son un instrumento de diagnóstico cuando van a ver al médico para comprobar si tienen un hueso roto. En realidad, los rayos X son solo una forma diferente de luz. La luz puede verse en muchos colores, como por ejemplo podemos apreciar en el arcoiris. Cada color del arcoiris se define por la longitud de onda, en otras palabras, la longitud de la onda de luz que podemos ver en ese color. Si te acercas al color rojo, te acercarás a las longitudes de ondas mayores (y si continúas, a la infrarroja y a las ondas de radio). Si te acercas al azul, te acercarás a las longitudes de ondas menores (y si continúas, a la ultravioleta o UV, a los rayos X y a los rayos gamma). W. Roentgen descubrió los rayos X en 1895 cuando se dio cuenta de que una placa fotográfica había sido expuesta a algún tipo de luz (o, para ser más precisos, a un tipo de radiación desconocida a la que se llamó rayos X) producida por el experimento incluso cuando se cubría con una caja de cartón. Recibió el premio Nobel de Física en 1902 por sus descubrimientos. Por tanto, los rayos X son luz con una longitud de onda de entre 0.01 a 10 nanómetros. Es por ello que son muy útiles para, por ejemplo, el estudio de la estructura de la materia cristalina. Un uso interesante de los rayos X es en el descubrimiento de la hélice del ADN, realizado por Rosalind Franklin y sus compañeros en 1952 [1].

Una década después, Crick, Watson y Wilkins recibieron el premio Nobel por explicar el ADN.

Otro premio Nobel con los Rayos X como protagonistas es el de nuestro compañero Riccardo Giacconi, «por una contribución pionera a la astrofísica, que ha conducido al descubrimiento de fuentes de rayos X procedentes del espacio», entregado en 2002 por su carrera de 40 años [2].

¿Cómo pueden producirse los rayos X y por qué es tan interesante su estudio en la astronomía?

Los rayos X pueden producirse de muchas formas. En el experimento original de Roentgen, los rayos X se produjeron por los electrones que golpean un blanco metálico (en un «tubo de rayos X»). Los electrones fueron liberados un filamento caliente y acelerados por un alto voltaje hacia el blanco metálico. Los rayos X se producen cuando los electrones colisionan con los átomos y núcleos del blanco metálico. Así es como se producen incluso en la actualidad los rayos X para la gran mayoría de fines médicos. Hay otras formas de producir rayos X como el Bremsstrahlung, que es la desaceleración de una partícula cargada desviada por otra partícula cargada, normalmente un electrón desviado por un ion en plasma caliente. Otra manera de producir rayos X es a través de la radiación de sincrotrón: la curva de la trayectoria del electrón se debe, en este caso, a la presencia de un campo magnético. Una tercera forma es a través del llamado Efecto Compton inverso: se produce por un electrón que se mueve a gran velocidad (relativista: la velocidad es cercana a la de la luz) que impacte con un fotón (el cuanto de la luz) de energía menor: la colisión ralentiza al electrón y le da energía al fotón que puede alcanzar energía de rayos X.

El interés de la astronomía se debe al hecho de que estos fenómenos ocurren en temperaturas muy altas y en alta densidad de materia. Por lo tanto, los rayos X ayudan en la búsqueda de cuerpos calientes (como el plasma caliente que rodea a agrupaciones galácticas) y algunos muy compactos (como las  estrellas de neutrones o los agujeros negros).

Agujero negro, desprendiendo calor (ejemplo de lo que se puede detectar con rayos X)

Agujero negro, desprendiendo calor (ejemplo de lo que se puede detectar con rayos X)

¿Cuál es el objeto más lejano (más antiguo) descubierto que emita rayos X?

La gran mayoría de objetos astronómicos producen rayos X. Las galaxias son los objetos observados más lejanos (a z > 8, lo que corresponde a unos cientos de millones de ayer tras el Big Bang). Es posible que el objeto más lejano con una medición de corrimiento al rojo es un brote de rayos gamma, el cual se ha observado en la radiación infrarroja obtenida del corrimiento al rojo llamada GRB 090423. A su vez, un cuásar tiene una alta medida infrarroja: ULAS J1120+0641. Este cuásar emitió la luz que hoy se observa en la tierra hace menos de 770 millones de ayer tras el Big Bang, es decir, hace unos 13 mil millones de años. Los objetos más lejanos son también los más antiguos ya que la velocidad de la luz es limitada y, por lo tanto, los vemos tal y como eran al principio de la vida del universo.

¿Emite el universo rayos X al igual que en el fondo cósmico de microondas?

La radiación de fondo de microondas es el eco del Big Bang y se visualiza como una ola de temperatura cada vez menor (en la actualidad se calibra a 2,7 K) en todas las direcciones en el cielo. Asimismo, existen los llamados rayos X de fondo aunque estos son de origen diferente. Es uno de los descubrimientos del cohete de 1962 que le otorgó a Giacconi el premio Nobel. Había rayos X por todas partes en el cielo. La Luna, tal y como la observó el ROSAT en la década de los noventa, por ejemplo, tapa parte de estas radiaciones. Ahora sabemos que estas radiaciones de fondo se producen por las emisiones sin terminar de muchas fuentes, en su mayoría galaxias o cuásares.

¿Cómo podemos ubicar los agujeros negros gracias a los rayos X, si estos no emiten energía?

Los agujeros negros son «negros» porque incluso la luz se ve atraída hacia ellos de tal manera que no puede escapar del «horizonte de evento» y atraparnos. Sin embargo, su influencia gravitacional puede llegar a grandes distancias: el efecto es atraer todo material que llegue a su entorno. Normalmente, la materia se posa en un disco, llamado disco de acrecimiento, en el que la fricción participa en la ralentización de las partículas para que caigan en el agujero. Este proceso produce a su vez una gran cantidad de energía que se emite fundamentalmente como rayos X. La primera fuente descubierta en 1962, Sco X-1, es una de esas brillantes fuentes de rayos X. Se alimenta de una estrella de neutrón en un sistema binario. Otras fuentes son binarias, alimentadas por un agujero negro y visualizadas por sus emisiones de rayos X (por ejemplo Cyg X-1).

El polvo cósmico es capaz de absorber los rayos X. Si la energía ni se crea ni se destruye, ¿en qué se transforma la energía absorbida de los rayos X?

El polvo y el gas cósmico absorben la mayoría de las longitudes de ondas, cada a uno a su manera (por ejemplo, depende de la densidad del gas y del tamaño de las partículas de polvo). El efecto neto de absorción es un aumento de la energía del que absorbe. Por lo tanto, la mayor parte del polvo es calentado y radia de nuevo este calor en la banda infrarroja. Se ha observado que muchas galaxias tienen un pico de emisión en los infrarrojos debido a la radiación de una absorción de energía mayor.

Polvo estelar , M16 y la Nebulosa del Águila

Polvo estelar , M16 y la Nebulosa del Águila

Si bien la atmósfera nos mantiene a salvo de los rayos X, ¿a qué distancia deberían producirse estos para que sean perjudiciales para la vida en la tierra?

La atmósfera de la Tierra es fundamental para el desarrollo de la vida. No solo los rayos X son dañinos para la vida sino otras radiaciones como las UV. Por ejemplo, los rayos X tienen el poder de destruir las moléculas de ADN. La atmósfera absorbe principalmente por su contenido de agua, a través del efecto fotoeléctrico: un átomo absorbe un fotón y un electrón es eliminado. Un fotón de rayos X que cruce la atmósfera se encontrará tantos átomos como si cruzara una pared de hormigón de cinco metros de grosor. El Sol emite rayos X (aunque su intensidad en la banda de rayos X es de una millonésima de la intensidad de la luz visible) y no supone un problema para la vida. Un brote de rayos gamma, el evento más poderoso conocido del universo, podría ser perjudicial para la capa de ozono y para la vida en la Tierra si ocurriera en nuestra parte de la Galaxia e irradiara directamente a la Tierra. Sin embargo, las probabilidades de que este evento ocurra son pequeñísimas, aunque es difícil de estimar con exactitud.

¿Cómo pueden ayudar los rayos X a la deducción de la materia oscura?

La materia oscura es materia que no vemos (no emite «luz» en ninguna longitud de onda observada) pero tiene un efecto gravitacional que detectamos. No solo hay varias evidencias de la presencia de ese tipo de materia anómala, pero todo apunta al hecho de que esta materia constituye en torno al 85 % del total de materia del Universo. Una de las evidencias de la materia oscura es la presencia de gas caliente en las agrupaciones de galaxias. Este gas caliente se detecta por las emisiones de rayos X producidas por las altas temperaturas (millones de grados). Un cuidadoso análisis de la emisión de rayos X de muchas agrupaciones nos permite obtener el potencial gravitacional total para mantener el gas unido a la agrupación. Esto da como resultado que la media de masa debe ser en torno a 6-7 mayor que la masa visible (debido tanto a las estrellas de las galaxias y al propio gas caliente). La «masa desconocida» es la materia oscura. No sabemos aún de qué está compuesta la materia oscura pero hay observaciones interesantes, otra vez en el plano de los rayos X, de una fuerte línea de investigación que apunta a la presencia de lo que se llaman neutrinos estériles, unas partículas hipotéticas con una pequeña masa pronosticadas para interactuar con materia normal solo a través de la gravedad. Algunos científicos han sugerido que los neutrinos estériles podrían explicar al menos en parte la materia oscura.  Se necesitan más investigaciones que lo confirmen.

Una imagen de lo que podría representar la materia oscura.

Una imagen de lo que podría representar la materia oscura.

¿Nos ayudas a interpretar estas imágenes?

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Esta imagen representa el área total de cielo cubierto por el satélite de rayos X XMM-Newton de la ESA (Agencia Espacial Europea) durante parte de su vida cuando se mueve de un objetivo al siguiente. Cuanto más claro es el color, más tiempo pasó el satélite es esa parte del cielo. Un equipo de científicos ha utilizado estos datos para extraer un catálogo de fuentes de rayos X. El catálogo contiene brillantes fuentes (una decenas de miles) de una gran parte del cielo [3].

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Esta, en cambio, es la de la distribución de las fuentes detectadas en todo el cielo realizada por el satélite alemán ROSAT en la década de los noventa: los colores representan los espectros de las fuentes (suave [o pronunciado] a plano [o duro] como se describe en la foto) que puede dividir en primer lugar las fuentes en clases (por ejemplo, fuentes galácticas, como restos de supernovas o binarios de rayos X frente a fuentes extragalácticas como los cuásares o las agrupaciones de galaxias) [4].

Estas son todas las preguntas de astronomía, aunque para poner el broche de oro, nos gustaría que nos explicaras personalmente en qué consiste tu trabajo de investigación, los avances llevados a cabo y cualquier otra cosa que quieras mencionar.

De hecho, mi trabajo versa en su mayoría sobre la banda de los rayos X. Sin embargo, creo que un acercamiento desde todos los puntos de vistas de las longitudes de ondas es la mejor manera para aprender la percepción de las diferentes clases de objetos astronómicos. En la actualidad, estoy estudiando las fuentes X ultraluminosas o ULX, que son unas fuentes muy brillantes detectadas sobre todo en galaxias espirales, que no son nucleares y sí más brillantes de lo esperado para binarios de rayos X «normales» vistos en la Vía Láctea. Estas fuentes podrían albergar los buscados agujeros negros de masa media (conocidos por las siglas IMBH) que tienen una masa de entre 100 y 105 masas solares y su existencia se conceptualiza pero no se han observado aun. Mi más recientes investigaciones son las dos siguientes: primero, una muestra de galaxias anulares que he observado en la banda de rayos X. Parecen que tienen un pequeño números de fuentes brillantes que podían ser agujeros negros de masa media. En segundo lugar, la colección de medidas de multilongitudes de ondas de una docena de ULX para poder estudiar un posible modelo interpretativo para su emisión multibanda.

Referencias

[1] https://www.dnalc.org/view/15014-Franklin-s-X-ray-diffraction-explanation-of-X-ray-pattern-.html

[2] http://www.nobelprize.org/educational/physics/x-rays/discoveries-1.html

[3] http://xmm.esac.esa.int/external/xmm_products/slew_survey/xmmsl1d_ug.shtml

[4] http://www.xray.mpe.mpg.de/rosat/survey/rass-bsc/sup/

Entrevistada: Anna Wolter

Entrevistador: Jose Manuel Rodríguez

Traductora: Paula Roldán

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