El universo en rayos X


Deborah Dultzin
Instituto de Astronomía, UNAM


Los astrónomos de hoy en día, como Supermán, tenemos ``vista de rayos X''. Así como la década de los años cincuenta puede considerarse como la del inicio de la radioastronomía, la de los años sesenta marcó el inicio de la astronomía de rayos X. El Universo, visto en rayos X, es fascinante y enigmático. Las observaciones en rayos X, que deben hacerse desde el espacio puesto que esta radiación no puede penetrar la atmósfera (Fig. 1), han develado varios misterios, pero también han planteado nuevos retos para comprender el Universo. Existen estrellas y otros tipos de cuerpos celestes cuya luminosidad en rayos X es hasta 100,000 veces mayor que la luminosidad en todas las otras frecuencias sumadas.

Aunque las primeras observaciones de rayos X del Sol se obtuvieron con sondas y detectores rudimentarios desde 1948, las observaciones fuera del Sistema Solar se iniciaron en 1962, casi por casualidad. Un grupo de científicos industriales de Cambridge, Massachussets, diseñaron un experimento para probar varios detectores de rayos X estudiando la fluorescencia de rayos X solares, producida por la Luna. Montaron su experimento en un pequeño cohete que sólo podía permanecer unos minutos fuera de la atmósfera y, aunque el experimento fue exitoso, no detectaron ningunos rayos X de la Luna. En cambio, sí detectaron un gran flujo de rayos X provenientes de la dirección del centro de la galaxia. Los primeros cálculos mostraron que la radiación era 1000 veces más potente que la del Sol. Nada parecido había sido predicho por ningun astrónomo y la fascinación inicial por este insólito descubrimiento guió a varios astrónomos a iniciar propiamente el campo de la astrofísica de rayos X.

Los primeros experimentos fueron hechos durante vuelos de corta duración sobre la atmósfera y con detectores de pequeña área colectora. Además, era imposible determinar la dirección de la que provenía la radiación con una precisión de más de unos cuantos grados en el cielo. En unos cuantos años, sin embargo, se detectaron una docena de fuentes discretas (localizadas) como potentes emisoras de rayos X, de las cuales la primera, identificada con un objeto conocido, fue la de la ``Nebulosa del Cangrejo'' (remanente gaseosa del estallido de una estrella supernova en el año 1054, con una estrella de neutrones --pulsar-- cerca del centro de la nebulosa, que es el remanente de la implosión del núcleo estelar). No fue, sin embargo, hasta que se desarrolló la era espacial, y con ella el lanzamiento de satélites astronómicos, que floreció plenamente esta nueva rama de la astrofísica.

En 1970, la Agencia Nacional para el Espacio Norteamericana, NASA, lanzó su primer satélite de rayos X desde Kenya (Fig. 2), el célebre UHURU (palabra zwahili que significa ``libertad''). Este satélite se hizo famoso por detectar las primeras estrellas binarias de rayos X en nuestra galaxia y, entre ellas, la primera fuente en la Constelación del Cisne: Cygnus X-1, donde se cree haber descubierto el primer hoyo negro producido por el colapso gravitacional de una estrella. El UHURU funcionó durante siete años, al cabo de los cuales se habían descubierto más de 150 fuentes de rayos X, de las cuales cerca de cien resultaron estar en nuestra galaxia (principalmente estrellas y cúmulos globulares). Las otras estaban distribuidas al azar en el cielo y poco a poco se fueron identificando con cúmulos de galaxias y cuasares. Sin embargo, el descubrimiento más inesperado del UHURU fue el de una emisión difusa de rayos X, proveniente de todo el cielo. Este descubrimiento se hizo al apuntar los detectores a bordo del satélite en dirección de la Luna; siempre que esto se hacía, el número de cuentas disminuía drásticamente --lo que implicaba que la Luna bloqueaba el flujo de rayos X--, pero resulta que esto sucedía en cualquier posición en que estuviese la Luna respecto de las estrellas de fondo, de manera que se dedujo --correctamente-- que ese flujo de rayos X proviene de...¡todo el Universo! Ahora esto se conoce como el ``fondo de rayos X''.

Los detectores a bordo del UHURU y su sucesor, el ARIEL V, eran muy rudimentarios: una versión refinada de un contador Geiger, llamado contador proporcional. Era imposible obtener imágenes, como lo hacemos en el visible con placas fotográficas o los modernos mosaicos de detectores optoelectrónicos (CCDs --del inglés: charge coupled devices). Construir telescopios de rayos X es muy difícil porque estos rayos pueden ser reflejados sólo bajo ángulos de incidencia sumamente pequeños, es decir, deben incidir apenas rozando el espejo. Uno de los pioneros en el diseño de tales telescopios es el astrónomo italiano Ricardo Giacconi. Su primer telescopio estuvo en el observatorio solar APOLLO a bordo de la estación espacial SKYLAB. (Fig. 3)

Para poder observar fuentes débiles --distantes-- de rayos X, a fines de los setentas se construyeron tres grandes satélites llamados HEAO (del inglés: High Energy Astrophysics Observatory). El HEAO 2 llevaba un gran telescopio capaz de producir imágenes de rayos X, se le llamó Observatorio Einstein y fue lanzado el 13 de noviembre de 1978. El telescopio que llevaba constaba de dos espejos concéntricos, el mayor de 58cm de diámetro, y tenía cuatro instrumentos detectores. Uno de los detectores era el IPC (del ingles: Imaging Proportional Counter), un contador de fotones capaz de medir no sólo la energía, sino también la posición de incidencia, de tal modo que podía construir algo parecido a una imagen. El IPC podía ``ver'' una región del cielo de un grado cuadrado y media la posición de llegada de los fotones con una precisión de un cincuentavo de grado cuadrado. La resolución espacial de las imágenes era, por lo tanto, de un minuto de arco. Como complemento, el Einstein llevaba un segundo detector, el HRI (del inglés: High Resolution Imager), que era cinco veces menos sensible, cubría un campo de 25 minutos de arco cuadrados, pero su resolución era muy alta: dos segundos de arco. El primer relevamiento del cielo con este detector se llevó a cabo en 29,208 segundos y alcanzó una sensibilidad de 2 x 10e-13 ergios/cm2 /seg en la banda de 1 a 3 KeVs (lo que los astrónomos llamamos rayos X ``blandos''); detectó fuentes 100 veces más débiles que sus predecesores. Por su parte, el IPC, detectó fuentes 1000 veces más débiles que sus predecesores. La mayoría de las fuentes detectadas fueron identificadas con cuasares y otros núcleos activos de galaxias. Al integrar el flujo hasta los límites más bajos de detección del Einstein, se obtiene un valor de 7 x 10e-9 ergios /cm2 /seg/steradian, en la banda 1-3 KeVs. Esto equivale a cerca del 40% del fondo de rayos X, y fue la primera indicación de que la radiación integrada de los cuasares y núcleos activos de galaxias podría explicar el brillo de fondo del cielo en rayos X.

En el caso de la astronomía óptica, transcurrieron tres siglos desde que Galileo usó su primer telescopio óptico hasta la obtención de imágenes con la precisión actual. Los radioastrónomos cubrieron el mismo camino en cuarenta años, a partir de la primera detección de radioondas, hasta la interferometría. En el caso de los rayos X, en tan sólo dieciséis años a partir de la primera detección de una fuente distinta al Sol, Scorpius X-1 en 1962, se logró la obtención de imágenes de alta precisión. El Observatorio Einstein dejó de funcionar en abril de 1981. Los principales sucesores fueron el satélite europeo EXOSAT y el japonés GINGA. Este último estuvo en funcionamiento desde 1987 hasta 1991 y observó el cielo en rayos X ``duros'': en la banda de 2-30 KeVs. De 1989 a 1993, estuvo operando el satélite GRANAT, producto de una colaboración entre Rusia y Francia. El GRANAT observó también en rayos X duros y, con el telescopio SIGMA, incursionó en el rango espectral considerado como rayos gama ``suaves'' (35-200 KeVs). Más adelante comentaremos sobre el futuro de esta nueva rama de la astronomía: la astrofísica observacional de altas energías. Algo muy importante que hay que decir es que los datos obtenidos por estos y otros observatorios espaciales, tarde o temprano pasan a ser propiedad de la comunidad astronómica mundial, que puede acceder a ellos a través de bancos de datos, vía las redes de computadoras. En algunos casos, además, la oferta de tiempo de observación se abre total o parcialmente a proyectos de astrónomos de cualquier parte del mundo (aunque no sean ``socios constructores'').

El 1 de junio de 1990 se lanzó el satélite de rayos X más avanzado y que continúa funcionando: el ROSAT (el nombre viene de la palabra alemana ``Roentgensatellit'', en honor al físico alemán W. Roentgen que descubrió los rayos X hace exactamente un siglo). ste es un proyecto conjunto de la NASA, la Fuerza Aérea Norteamericana, Gran Bretaña y Alemania. Este satélite ha logrado lo que ningún otro antes: tomar imágenes de todo el cielo en rayos X con alta sensibilidad y resolución en la banda de rayos X suaves (0.1-2 KeVs). Lo mismo se intentará hacer en rayos X duros con el satélite AXAF (del inglés: Advanced X-ray Astrophysics Facility), cuyo lanzamiento está planeado para fin del siglo.

El ROSAT ha hecho varios descubrimientos importantes. En la Fig. 4 se muestra un remanente de supernova que no se ve en ``el óptico'' (luz visible). Esta supernova estalló en 1572 y fue registrada por Tycho Brahe. La nebulosa detectada por el ROSAT es producida por una cáscara de gas que al expandirse a velocidad altamente supersónica, choca con el medio interestelar y lo calienta a temperaturas de varios millones de grados. En la Nube Mayor de Magallanes (galaxia satélite de la nuestra), el ROSAT descubrió unos cuarenta remanentes gaseosos más. En el conocido como LMC X-1, se cree haber descubierto también el ``cadáver sólido'' de la estrella que estalló: un hoyo negro. Justo ``arribita'' de LMC X-1, hay un pulsar (estrella de neutrones) que emite un pulso de rayos X veinte veces por segundo. El ROSAT detectó un cambio en la frecuencia de estos pulsos mayor a otros detectados antes en otros pulsares. No sabemos a qué se debe. En cambio, la supernova 1987A, detectada en luz visible hace unos años en la Nube Mayor de Magallanes, según la teoría de la evolución de remanentes, no ha tenido tiempo de generar rayos X y, efectivamente, no se observa nada en esa posición.

El ROSAT ha descubierto cerca de 100,000 fuentes intensas. De ellas, una cuarta parte son objetos extragalácticos nuevos; es decir, detectados por su emisión en rayos X. Una tarea titánica es la de tratar de encontrar la contraparte óptica de estos nuevos objetos. Parte de este trabajo se está haciendo en el Observatorio Guillermo Haro, en Cananea, México, en el marco de un proyecto de colaboración entre el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre de Alemania y el Instituto de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), de Tonanzintla, Puebla. Todas las identificaciones hechas hasta ahora, corresponden a cuasares y otros núcleos activos de galaxias. También se han programado observaciones dirigidas a estudiar objetos particulares (ya conocidos). Respecto del mayor misterio, el fondo del cielo en rayos X, hoy se cree haber confirmado que se debe a la radiación integrada de fuentes discretas, en su mayor parte cuasares. Los resultados del relevamiento del ROSAT permiten estimar la existencia de unas 100 fuentes de rayos X por grado cuadrado en el cielo; sin embargo, mientras menor es el nivel de flujo detectable, el número de fuentes aumenta.

En el futuro se podrán también hacer estimaciones sobre el origen de los cuasares y la estructura a gran escala del Universo con ayuda de observaciones de rayos X. El satélite, mencionado arriba, AXAF, contará con una versión ultramoderna de la cámara HRI del Einstein, con una área mayor y mayor eficiencia cuántica para fotones de alta energía, lo que permitirá obtener imágenes en rayos X con una resolución de 0.5 segundos de arco y con una sensibilidad mayor que el ROSAT. Además, podrá observar en la banda de 0.2-8 KeVs.

Vale la pena mencionar también, que en esta última década del siglo se ha iniciado la astronomía de rayos gama, con el lanzamiento del GRO (del inglés: Gamma Ray Observatory) en 1991. Desafortunadamente, las mismas propiedades que hacen a estos fotones ultraenergéticos interesantes para la astrofísica, los hacen difíciles de estudiar. Estos fotones se comportan más como partículas que como rayos de luz y atraviesan los detectores convencionales. El GRO tiene cuatro detectores:

Uno de los primeros resultados del GRO, es que el Universo no está inmerso en un fondo de radiación gama (como en el caso de los rayos X). La precisión de apunte no es muy buena, lo que ha dificultado la identificación de las fuentes. Todas las fuentes identificadas hasta ahora (con excepción de los estallidos esporádicos mencionados arriba) son cuasares u objetos similares (tipo BL Lacerta). Además resulta que estos objetos emiten la mayor parte de su energía precisamente en estas frecuencias, lo que apoya fuertemente el modelo de acreción a un agujero negro supermasivo, como la fuente de energía de estos objetos. Obtener verdaderas imágenes en rayos gama es por ahora un sueño. Pero tantas cosas parecían un sueño... como la vista de rayos X de Supermán.