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Charlando sobre agujeros negros

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El pasado día 12 de diciembre tuve el placer de dar una charla sobre Agujeros Negros en la facultad de matemáticas de la Universidad de Sevilla.  Esta charla estuvo enmarcada en el ciclo de conferencias: La ciencia desde el ojo matemático.

He de agradecer a los organizadores del mencionado ciclo su interés y amabilidad y la oportunidad de dar esta charla.  Así que gracias a Jose A. Prado Basas (@eliatron del blog Tito Eliatron dixit), Mª del Carmen Calderón Moreno y Clara I. Grima (@ClaraGrima del blog Mati y sus Matiaventuras). Por supuesto, también quiero agradecer a J. J. Gallego (@Raven_neo del blog CIDlabs) por su maña a la hora de grabar la charla.

Aprovecharé esta entrada para explicar un poco los temas elegidos para la charla y las entradas del blog relacionadas. Al final encontraréis el video de la misma. Espero que os guste.

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¿Cómo detectar agujeros negros con rayos X?

Esta entrada ha sido escrita en colaboración con Salvador Márquez Grima.  

Hola amigos, en la entrada Astronomía de Rayos X  presentamos brevemente el origen y los fundamentos de esta rama de la astronomía. En esta ocasión intentaremos describir cómo detectar agujeros negros a través de la detección de rayos X en fuentes astrofísicas. Espero que os guste.

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Astronomía de rayos X

Esta entrada ha sido escrita junto a Salvador Márquez Grima, quien propuso el

Sal – Ilustración de Raquel Garcia Ulldemollins

tema y ha buscado gran parte de la información. Nos lo hemos pasado muy bien escribiendo esto juntos. En Cuentos Cuánticos estamos encantados de tenerlo como colaborador.

La astronomía siempre ha sido un campo que ha despertado la curiosidad del ser humano. En esta ocasión vamos a hablar de la astronomía de rayos X. Esta es una rama de la astronomía que se basa en que en determinados cuerpos astrofísicos se producen rayos X  y gracias a ellos podemos entender la composición y estructura de los objetos que los producen. Así que empezamos…

¿Qué son los Rayos X?

Los rayos-X, reciben su exótico nombre porque su descubrimiento presentó una incógnita (como la x en una ecuación) respecto a su origen y naturaleza pero, en realidad, simplemente son fotones.

La radiación electromagnética son campos eléctricos y magnéticos que se propagan por el espacio de forma ondulatoria.

Dependiendo de la frecuencia (energía) de la onda se clasifican las mismas en el conocido como espectro electromagnético.  Los rayos X no son más que radiación electromagnética con una energía comprendida entre 100eV y 100KeV

Evidentemente esta radiación no es visible para el ojo humano, sin embargo hemos aprendido a utilizarla en diversos campos como la medicina con las famosas radiografías debido a que su poder de penetración en tejidos y materiales es apreciable.

Lo que nos ocupa en esta entrada es responder a las siguientes preguntas: ¿Cómo se producen los rayos X? ¿Qué es la astronomía de rayos X y qué podemos aprender de ella?

Generando Rayos X

Hay varios procesos en los cuales se pueden generar rayos X en situaciones astrofísicas. En esta parte vamos a introducir brevemente los más importantes.

1.-  Bremsstrahlung

Cuando los electrones son lanzados a una plancha de metal emiten una radiación característica debido a la interacción con los núcleos de la red metálica que los frena.  A esta radiación se la conoce como Bremsstrahlung, que significa radiación de frenado en alemán.

Como cualquier otra radiación electromagnética, los rayos X, son generados por partículas cargadas aceleradas. Si imaginamos que lanzamos un electrón en una zona donde tenemos iones positivos (núcleos atómicos), al pasar por las inmediaciones de unos de estos iones, el electrón cambiará su velocidad emitiendo la correspondiente radiación. Esto es debido a la interacción eléctrica entre los electrones (carga negativa) y los núcleos atómicos (carga positiva).  Si los electrones tienen la suficiente energía y su interacción con los iones es la adecuada esta radiación puede estar en el rango de los rayos X.

En el contexto astrofísico encontramos múltiples situaciones en las que tenemos un gas (fundamentalmente hidrógeno) a una temperatura tal (alrededor de 10.000K) que hace que los iones y los electrones estén desligados.  A este estado de la materia se le conoce como plasma.  Los electrones se mueven en dicho gas y se van encontrando con iones positivos que hacen que se vayan frenando y variando su trayectoria, con lo cual se genera una radiación electromagnética de tipo bremsstrahlung. Si la temperatura del gas supera los 1000000K esta radiación estará en la región del espectro electromagnético correspondiente a los rayos X.

Este mecanismo de producción de rayos X está presente en todas las fuentes astrofísicas donde esta radiación es representativa y es el de mayor importancia en la emisión de las mismas.

2.-  Sincrotrón

El sincrotrón es un tipo de acelerador de partículas circular, es decir, las partículas siguen una trayectoria cerrada. Esto se consigue aprovechando que cuando una partícula cargada entra en un campo magnético perpendicular a la trayectoria de la misma tiene el efecto de curvar tal trayectoria. Esto hace que la partícula sienta una determinada aceleración y por tanto emitirá radiación electromagnética. Si el campo magnético y la velocidad inicial de la partícula son suficientemente elevadas la radiación emitida estará en el rango de los rayos X.

En situaciones astrofísicas tales como radio galaxias, discos de acreeción alrededor de objetos compactos (estrellas de neutrones o agujeros negros), púlsares, etc, podemos tener campos magnéticos focalizados en una dirección y electrones atraídos hacia estos objetos que alcanzan velocidades relativistas. Esto hace posible que haya una emisión apreciable en rayos X.

4.-  Compton inverso

El efecto Compton es una de las mejores pruebas que tenemos del comportamiento corpuscular de los fotones. En este efecto un electrón choca con un fotón de forma que el electrón adquiere energía tras el choque y cambia su trayectoria.

Evidentemente en este proceso el fotón resultante tiene una energía menor que la inicial.

Sin embargo, el proceso inverso es posible. Si un fotón de una determinada energía colisiona con un electrón de alta energía (que se mueve a velocidades relativistas, por ejemplo) tras el choque este puede adquirir una mayor energía. Si la energía del electrón es lo suficientemente alta el resultado puede ser un fotón en el rango de los rayos X. Este es el mecanismo básico de lo que se conoce como efecto Compton inverso.

Este proceso es importante en galaxias con núcleos activos o en sistemas binarios con emisión en rayos X.

3.-  Cuerpo negro

El cuerpo negro es un sistema ideal donde nos enfrentamos a un cuerpo cuya superficie es capaz de absorber toda la luz que incide contra ella. En este blog ya hablamos del cuerpo negro. A temperatura normal, estos cuerpos se presentarían completamente opacos, pero, si se calientan a una temperatura apreciable, el cuerpo negro producirá radiación térmica con su máximo en distintos rangos del espectro electromagnético dependiendo de su temperatura. A una temperatura superior al millón de grados Kelvin la radiación de cuerpo negro estará fundamentalmente formada por rayos X.  Este proceso es importante en estrellas de neutrones o regiones opacas de los discos de acreción.

4.-  Emisión térmica de línea

Como sabemos, en los átomos podemos excitar sus electrones a niveles de energía superiores y estos tendrán la tendencia a decaer a niveles de menor energía emitiendo fotones.

Os recomendamos esta entrada que trata de este tema según la perspectiva de Bohr: Niveles de energía atómicos.

En los gases que rodean las fuentes astrofísicas que hemos ido comentando puede que se den choques entre átomos parcialmente ionizados, bien entre ellos, bien con electrones de alta energía. Estas colisiones pueden elevar la energía de los electrones de los átomos a niveles superiores y tras decaer estos producirán radiación electromagnética. En determinadas circunstancias esta radiación puede ser del tipo de los rayos X.

En las nubes de gas en estos procesos astrofísicos podemos encontrar átomos de núcleos pesados (comparados con el hidrógeno) tales como silicio (Si), hierro (Fe), etc. Estos son particularmente buenos para generar este tipo de radiación en rayos X. En este proceso se encuentran picos de radiación en determinadas energías, las que corresponden a los saltos entre los niveles de energía de los electrones involucrados de estos átomos. Es muy interesante que una de las pruebas astrofísicas de la existencia de objetos compactos como agujeros negros sea la presencia de la línea de 7KeV en la emisión K del Fe.

El nacimiento de la astronomía de rayos X

En 1962 un satélite, diseñado por Bruno Rossi, Martin Annis, Riccardo Giacconi y Frank Paolini, detecto rayos-X en el espacio exterior. El equipo de AS&E (American Science & Engineering) buscó financiación para este proyecto, pero la NASA rechazó su propuesta. Giacconi modificó entonces la propuesta, incluyó la Luna como objetivo, y volvió a presentarla a los Laboratorios de Investigación de las Fuerzas Aéreas en Cambridge (AFCRL: Air Force Cambridge Research Laboratories). Decía que los rayos-X solares debían producir una emisión fluorescente en la superficie lunar y que esto facilitaría el análisis químico de la superficie. También esperaban que hubiese bremsstrahlung en la superficie lunar, debido al impacto de los electrones que contiene el viento solar, generando rayos X.

El cielo en rayos X

En esta parte vamos a mostrar algunas imágenes del cielo en rayos X. Gracias a misiones como ROSAT o CHANDRA podemos identificar todas las fuentes de rayos X en nuestro cielo:

También podemos estudiar la superficie de los planetas con rayos X (por ejemplo Júpiter):

Podemos estudiar remanentes de supernova:

Y mil cosas más…

La importancia de la astronomía de rayos X radica en dos puntos fundamentales:

a) Está debida a fenómenos de gran energía en las distintas fuentes astrofísicas. Esto quiere decir que está asociado a procesos que involucran objetos muy extremos en el universo, supernovas (remanentes), estrellas de neutrones, agujeros negros, etc.  Así esta herramienta nos permite acceder a estos procesos que de otra forma sería mucho más difícil.

b) Gracias a las características de las distintas formas de generar rayos X podemos conocer la conformación, composición y procesos que se llevan a cabo en estas estructuras.

Este tipo de emisión de los cuerpos astrofísicos no fue fácil de encontrar, como hemos comentado este campo empezó en la década de los 60 del siglo pasado, debido a que que la atmósfera absorbe ciertos rayos, entre ellos los rayos-X. Por tanto, los astrofísicos tienen lanzar cohetes o globos que para poder captar los los rayos-X que hay en el exterior, y como habréis imaginado, no es fácil para nada.

Os recomendamos que no os perdáis la página web de la misión CHANDRA donde podréis encontrar videos explicativos (en inglés) de los resultados obtenidos con este telescopio. Las imágines son espectaculares:

Misión CHANDRA

Esperamos que os haya gustado la entrada.

Nos seguimos leyendo…