Entrevista a Xavier Barcons

En rayos X se ve el Universo más violento

Annia Domènech / 11-02-2004

Xavier Barcons es Profesor de Investigación del CSIC en el Instituto de Física de Cantabria (CSIC). Su campo de trabajo es el estudio del cielo con rayos X, en particular las galaxias activas y los cúmulos de galaxias. En la actualidad es miembro del Space Science Advisory Commitee de la ESA y gestor del Programa Nacional de Astronomía y Astrofísica.

El primer grupo de astronomía de _______ fabricó el sistema de control de las maletas en el aeropuerto. Hoy en día se utilizan para la búsqueda de tumores cámaras de gran resolución fabricadas para observar el Universo en _______ y las gafas bifocales existen gracias a la tecnología de los espejos de los telescopios ROSAT de _______. ¿Rayos X?


¿Desde cuándo se estudia el espacio mediante los rayos X?
En comparación con la cantidad de luz emitida por el Sol en el visible, la fracción de rayos X es muy pequeña. Extrapolando esto a estrellas mucho más lejanas, hace cuarenta años se creía que nunca se podría observar este tipo de radiación fuera del Sistema Solar.
En 1962, un grupo de personas, entre ellas Riccardo Giacconi (que recibió el año pasado el Premio Nobel de Física) consiguieron mandar un cohete por encima de la atmósfera, a 80 km de altura, durante seis minutos. Para poder ver rayos X hay que subir como mínimo unos 80-100 km, ya que son absorbidos por el oxígeno y el ozono.
Su objetivo inicial era ver los rayos X del Sol reflejados en la Luna, pero en lugar de esto descubrieron una estrella (identificada como Sco X-1, de la constelación del Escorpión) que emitía gran cantidad de ellos; y lo que se conoce como Fondo Cósmico de Rayos X, una radiación que está por todo el Universo.

¿Qué demostraron estos descubrimientos?
Primero, que sí se pueden recibir rayos X procedentes del exterior del Sistema Solar y, segundo, que no todas las estrellas son como el Sol, sino que hay algunas más activas y violentas que emiten gran cantidad de ellos. Hoy en día existen más de 100.000 fuentes extrasolares de rayos X catalogadas y este número aumenta cada año en unas 50.000.

¿Cuándo se empezaron a generar rayos X en el Universo?
El Universo tendría unos mil millones de años, por dar una fecha aproximada de cuando se comienzan a formar los primeros objetos astrofísicos. Los rayos X son más astrofísicos que cosmológicos: no cuentan mucho sobre el origen del Universo, pero sí sobre su evolución.
A menudo se originan por procesos físicos muy violentos, que incluyen campos gravitatorios muy fuertes, alrededor de los cuales la materia se mueve muy deprisa, se calienta por fricción a temperaturas muy elevadas, y acaba emitiendo la mayor parte de energía en rayos X. Hay pocos (cuesta detectarlos) precisamente porque suponen una inversión energética muy grande.
Se encuentran en los agujeros negros muy masivos y, también, en los cúmulos de galaxias. Éstas tienen unos pozos de potencial gravitatorio muy grandes (no muy fuertes, pero sí muy extensos), que hacen que el gas de las galaxias quede atrapado allí a unas temperaturas muy elevadas (del orden de cien millones de grados) por lo que emiten la mayor parte de la energía en rayos X.

¿Cómo se observa esta radiación?
En estos 40 años se ha avanzado mucho. Se han construido telescopios que pueden recoger una cantidad suficiente de rayos X para hacer imágenes y astrofísica, lo que antes era impensable.
Ahora mismo hay dos observatorios en órbita: el Chandra de la Nasa y el XMM-Newton de la Agencia Europea del Espacio (ESA). Ambos se lanzaron el año 99 y son, en muchos sentidos, complementarios. Chandra es un telescopio para hacer imágenes porque tiene una resolución angular muy buena (de medio segundo de arco); XMM-Newton, para espectroscopía, puesto que recoge gran cantidad de rayos X y permite saber cuántos de ellos llegan en cada longitud de onda.
La coincidencia de ambos observatorios (debida a que Chandra se retrasó unos diez años) está produciendo avances muy interesantes. Por ejemplo, para fuentes de rayos X muy potentes y extensas (como los cúmulos de galaxias o remanentes de supernovas) con Chandra se obtienen imágenes muy claras de dónde procede la emisión y con XMM-Newton se ven los procesos físicos que hay detrás.

La duración de estos satélites depende de muchos factores. Como están en un entorno de radiación muy elevada, los instrumentos suelen ser lo que más rápido se degrada. El combustible también puede ser un factor limitante. Este no es el caso de XMM Newton (el que conozco mejor), que tiene hidracina (el combustible químico habitual en el espacio) para poder funcionar 20 años.

¿Dónde están situados Chandra y XMM-Newton?
En órbitas cercanas a la Tierra muy excéntricas, cada dos días dan una vuelta. Un 20-25 % del tiempo de observación se pierde porque cuando el satélite atraviesa grandes bolsas de protones y partículas energéticas (probablemente de la cola magnética terrestre) las cámaras quedan inundadas de radiación y no se puede observar bien. Cuando XMM-Newton se acerca a nuestro planeta se desconectan los instrumentos para que los cinturones de radiación (que además pueden alterar las mediciones) no los estropeen. El problema de este tipo de órbitas es que no se puede enviar una nueva misión que pueda reparar ningún instrumento o dispositivo dañado.

¿Hay muchos astrónomos que trabajen en rayos X?
Según un pequeño estudio que he realizado, un 20% de los artículos publicados en las revistas más importantes de Astronomía (Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics…) contienen algo de rayos X. Hay países, por ejemplo Gran Bretaña, donde el 20% de los astrónomos se declaran astrónomos de rayos X. En España, sólo son un 3%. La tradición astronómica española, que tiene veinticinco años, está muy desarrollada en torno a la óptica.
Por otro lado, aproximadamente unos dos mil astrónomos han observado con XMM Newton. El tiempo de observación solicitado es 8 veces mayor que el disponible. Para el telescopio William Herschel, situado en el Observatorio Roque de los Muchachos, es de un 4 o un 5.

¿Cuáles han sido los grandes descubrimientos realizados en este campo?
En 1995, observando los cuásares y las galaxias activas (de hecho, agujeros negros supermasivos), se vio como una línea de emisión de hierro salió con menos energía de la esperada porque los rayos X tienen que invertir parte para escapar del agujero negro. Es el llamado desplazamiento al rojo gravitatorio. Hasta ese momento había quien no se creía que los cuásares tenían un agujero negro supermasivo en su centro.
La teoría de la relatividad general predice que la luz que sale de las proximidades de un agujero negro muy masivo tiene que invertir gran parte de su energía para escapar del campo gravitatorio del agujero negro. Necesita energía para salir, lo mismo que nosotros cuando queremos viajar al espacio desde la superficie de la Tierra. Ésta predicción está comprobada a niveles infinitesimales dentro del Sistema Solar, pero gracias a la Astronomía de rayos X se ha podido verificar de forma mucho más aparente y dramática en galaxias activas.
Además, se ha demostrado la presencia, ya sospechada, de materia oscura en los cúmulos de galaxias. Mirando la temperatura y densidad de la gran cantidad de plasma (gas ionizado) que se encuentra atrapado en el cúmulo, y realizando imágenes y espectros en rayos X, se puede ver cómo es el campo gravitatorio del cúmulo. Se concluye que la mayor parte de la materia de los cúmulos (el 70%) no emite ningún tipo de radiación, es materia oscura.
También se han descubierto estrellas binarias tan cercanas la una a la otra que se transfieren materia. Una de ellas suele ser una estrella compacta (un agujero negro, una estrella de neutrones o una enana blanca). Cuando la materia cae en el campo gravitatorio de la estrella compacta, se calienta y emite grandes cantidades de rayos X, que indican aproximadamente cómo es el período orbital de esa estrella binaria. Aunque se supo después, la primera fuente de rayos X descubierta fuera del Sistema Solar, Sco X-1, es una binaria de rayos X.

¿Qué retos se plantean ahora?
Con la próxima generación de telescopios de rayos X, que tendrán que ser mucho más potentes que los actuales, se busca:

- Detectar las primeras agrupaciones que hubo en el Universo primitivo, precursoras de los cúmulos de galaxias. El modo más directo de ver su formación y evolución es mirar la emisión en rayos X del gas que sueltan las galaxias dentro de los cúmulos.
- Descubrir cómo y cuándo aparecieron los agujeros negros supermasivos en el centro de los cuásares y las galaxias activas (casi todas tienen uno, el de la Vía Láctea es de más de un millón de masas solares). Si antes de que se formara la galaxia y aparecieran las estrellas o después. Esto se podrá conocer porque al comienzo de la formación de un agujero negro, siempre hay una etapa de gran emisión de rayos X. Asimismo, podremos saber si los agujeros negros giran o no giran gracias a un efecto de la relatividad general.
- Detectar la mitad de la materia ordinaria (átomos, iones…) del Universo, que no está dentro de las galaxias o en los cúmulos de galaxias sino dispersa formando el medio intergaláctico. Este material tiene una temperatura muy elevada, posiblemente de millones o decenas de millones de grados. Se puede estudiar su existencia, abundancia química y composición física mirando si este gas produce algún tipo de absorción en la luz procedente de fuentes de rayos X lejanas.
- Ver cómo ha sido la evolución química del Universo. El medio intergaláctico y el gas de las galaxias se enriquecen “cocinando” los elementos químicos simples en el interior de las estrellas. Los elementos químicos pesados (oxígeno, hierro…) son distintos según el proceso que los produce.
También nos gustaría hacer imágenes en rayos X del entorno de un agujero negro supermasivo. Tienen que ser de gran resolución, con una nitidez diez millones de veces superior a la de Chandra. Para lograrlo, hay que desarrollar la técnica de interferometría en rayos X, que consiste en poner en consonancia distintos telescopios, o el mismo telescopio porque, a diferencia de las ondas de radio, los rayos X tienen una longitud de onda muy corta. Sin embargo, no entendemos la física básica del asunto ni hay una idea clara de cómo hacerlo tecnológicamente. Es una idea a 30 o 40 años vista.

¿Cuáles son los proyectos en marcha para cumplir dichos objetivos?
XEUS es un proyecto de la ESA para lanzar un telescopio mucho más potente que los actuales que pueda estudiar en rayos X el Universo primitivo y su evolución hasta hoy. Si no se consiguen imágenes bastante nítidas existe el problema de que varias fuentes de rayos X se mezclen en una mancha. Además, interesa ver las más débiles, que son las más lejanas.
La NASA tiene varios proyectos. Constellation X, que será como un XMM Newton a lo grande, hará espectrometría del Universo local. Generation X, de momento sólo un nombre, intentará ver el Universo primitivo, como XEUS. Asimismo, la NASA tiene previsto trabajar en interferometría, pero supongo que será a largo término.
Nosotros hemos propuesto la misión DUO a la NASA. Consiste en un telescopio de rayos X con un campo de visión muy amplio para poder observar una región extensa del cielo y detectar sus cúmulos de galaxias. El objetivo es ver la formación y evolución de estos objetos astronómicos y relacionarla con los parámetros cosmológicos, que determinan la densidad del Universo, la energía oscura que parece contener, etc. Nuestro estudio demuestra que podemos medir los parámetros cosmológicos con tanta precisión como se hace en las misiones del fondo cósmico microondas (radiación que data de cuando el Universo tenía 400.000 años).

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El autor

Annia Domènech es Licenciada en Biología y Periodismo. Periodista científico responsable de la publicación caosyciencia.

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