La visión de rayos X y las gafas polarizadas se combinan para revelar los secretos del universo: momentos de aprendizaje

La misión del Telescopio Espacial de la NASA está brindando a los astrónomos una forma completamente nueva de profundizar en el universo, permitiéndonos descubrir misterios antiguos que rodean objetos como los agujeros negros. Aprenda cómo funciona y cómo involucrar a los estudiantes en la ciencia detrás de la tarea.


Algunas de las características más interesantes y emocionantes del universo, desde los agujeros negros hasta las estrellas de neutrones, siguen siendo un misterio para nosotros. Lo que sí sabemos es que, debido a sus entornos hostiles, algunos de ellos emiten luz de rayos X de alta energía, que podemos detectar a pesar de las grandes distancias entre nosotros y la fuente.

Ahora, la misión del Telescopio Espacial de la NASA está utilizando nuevas tecnologías no solo para explorar estos fenómenos distantes, sino también para Proporcionar nueva información sobre sus orígenes.. Siga leyendo para descubrir cómo los científicos obtienen nuevas y emocionantes perspectivas sobre nuestro universo y qué depara el futuro de la astronomía de rayos X.

Cómo lo hicieron

En 2021, la NASA lanzó Foto del explorador del polarímetro de rayos X, o IXPE, a través de la cooperación con Ball Aerospace y la Agencia Espacial Italiana. El telescopio espacial está diseñado para operar durante dos años, para detectar rayos X emitidos por objetos de alta energía en el espacio, como agujeros negros, varios tipos de estrellas de neutrones (como púlsares y magnetosferas) y el núcleo galáctico activo. En su primer año, el telescopio se enfoca en casi una docena de fuentes de rayos X previamente estudiadas, pasando horas o incluso días observando cada objetivo para revelar nuevos datos hechos posibles por los instrumentos científicos de la nave espacial.

IXPE no es el primer telescopio en observar el universo en luz de rayos X. agencia de la nasa Observatorio de rayos X Chandraque se lanzó en 1999, ha dedicado más de 20 años a obtener imágenes de nuestro universo en una longitud de onda de luz que existe exclusivamente en entornos de alta energía, como donde la materia cósmica se calienta a millones de grados como resultado de intensos campos magnéticos o intensos gravedad.

Usando Chandra, los científicos pueden asignar colores a los diferentes niveles de energía, o longitudes de onda, producidos por estos entornos. Esto nos permite obtener una imagen de la luz de alta energía emitida por los agujeros negros y las pequeñas estrellas de neutrones, estrellas pequeñas pero muy densas con masas de 10 a 25 veces la de nuestro Sol. Estas bellas imágenes, por ejemplo del primer objetivo de Chandra, Cassiopeia A (Cas A para abreviar), muestran la violenta belleza de las estrellas en explosión.

Esta imagen de la supernova Cassiopeia A del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA muestra la ubicación de diferentes elementos en el remanente de la explosión: silicio (rojo), azufre (amarillo), calcio (verde) y hierro (púrpura). Cada uno de estos elementos produce rayos X dentro de rangos de energía estrechos, lo que permite crear mapas de su ubicación. Crédito de la imagen: NASA/CXC/SAO | ›Imagen completa y comentario

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Si bien Chandra se ganó su nombre como uno de los «Grandes Observatorios», los astrónomos siempre han querido profundizar en los entornos altamente energéticos del espacio capturándolos con más detalle.

IXPE amplió el trabajo de Chandra con la introducción de un instrumento llamado polarómetro, un instrumento utilizado para comprender la forma y dirección de la luz que llega a los detectores de telescopios espaciales. El polarímetro de IXPE permite a los científicos obtener información sobre los detalles minuciosos de los agujeros negros, las supernovas y el magnetismo, como la dirección en la que giran y su forma 3D.

Un aura azul de líneas en zigzag rodea una niebla púrpura difusa en forma de dona con parches de azul y blanco en todas partes.

Esta imagen de Cassiopeia A se creó utilizando algunos de los primeros datos de rayos X recopilados por IXPE, que se muestran en púrpura, junto con datos de rayos X de alta energía de Chandra, en azul. Crédito de la imagen: NASA/CXC/SAO/IXPE | ›Imagen completa y comentario

Si bien los científicos recién comienzan a utilizar las capacidades de IXPE, ya están comenzando a revelar nuevos detalles sobre el funcionamiento interno de estos organismos, como el entorno del campo magnético alrededor de Cas A, que se muestra en una imagen recientemente publicada.

El remanente de supernova aparece como un punto azul con remolinos de azules más brillantes y grandes estallidos de blanco.  Las líneas discontinuas en la parte superior de la imagen fluyen desde el centro hacia el exterior.  Al dividir la supernova y las líneas en cuartos de un círculo, la sección superior derecha contiene líneas que fluyen directamente hacia el noreste.  La sección en la parte inferior derecha tiene líneas que fluyen aproximadamente hacia el sureste pero se curvan ligeramente hacia el norte.  La sección en la parte inferior izquierda tiene líneas que fluyen directamente desde el borde inferior de la supernova, se curvan alrededor del centro y luego fluyen hacia abajo nuevamente.  La sección en la parte superior izquierda tiene líneas que van directamente desde el centro hacia el oeste, otras que se curvan alrededor del centro y fluyen en diagonal hacia el noroeste y otras que fluyen desde el centro hacia el norte.  Pequeñas porciones de las líneas están resaltadas en verde en las posiciones de la supernova de la 1, las 2, las 4, las 7 y las 11 a.m.

Las líneas en esta imagen recientemente publicada provienen de mediciones de IXPE que muestran la dirección del campo magnético en las regiones de Cassiopeia A. Las líneas verdes indican regiones donde las mediciones son más significativas. Estos resultados indican que las líneas del campo magnético cerca de los bordes del remanente de supernova están orientadas en gran medida radialmente, es decir, en una dirección desde el centro del remanente hacia afuera. Las observaciones del IXPE también revelan que el campo magnético sobre pequeñas regiones está muy entrelazado, sin una dirección preferida dominante. Observaciones como estas podrían ayudar a los científicos a aprender cómo las partículas emitidas por las supernovas interactúan con el campo magnético de la explosión. Créditos de imagen: Rayos X: Chandra: NASA/CXC/SAO; IXPE: NASA/MSFC/J. Fink et al. | + Ampliar la imagen | ›Imagen completa y comentario

«Por primera vez, utilizaremos cada fotón de luz combinado para informarnos sobre la naturaleza y las formas de los objetos en el cielo que, de otro modo, serían puntos de luz», dice. roger rumanoEs profesor de la Universidad de Stanford e investigador asociado de IXPE.

Cómo funciona

En general, cuando produce luz, es lo que llamamos no polarizada, es decir, oscila en todas las direcciones. Por ejemplo, nuestro sol produce luz no polarizada. Pero a veces, la luz se produce de manera muy ordenada, oscilando en una sola dirección. En astronomía, esto surge cuando los campos magnéticos empujan las partículas a velocidades increíblemente altas, creando luz altamente estructurada o polarizada.

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Esto es lo que hace que cosas como la Casa supernova sean objetivos atractivos para IXPE. Las supernovas como Cas A generan ondas de energía masivas cuando se transforman en una supernova, lo que brinda a los científicos una idea de cómo se liberan partículas a velocidades masivas que interactúan con los campos magnéticos de tal evento. En el caso de Cas A, IXPE pudo determinar que los rayos X no están altamente polarizados, lo que significa que la explosión creó regiones altamente turbulentas con múltiples direcciones de campo.

Si bien la idea de la luz polarizada o regulada puede parecer abstracta, es posible que lo haya notado la última vez que estuvo afuera en un día soleado. Si alguna vez ha probado un par de gafas de sol polarizadas, es posible que haya notado que el resplandor se ha reducido significativamente. Esto se debe a que cuando la luz se dispersa, rebota en las superficies reflectantes en todas las direcciones. Sin embargo, las lentes polarizadas contienen filtros diminutos que solo permiten el paso de la luz proveniente de un rango estrecho de direcciones.

El polarímetro IXPE funciona de manera similar. Los astrónomos pueden determinar la fuerza del campo magnético de un objeto usando un polarímetro para medir la cantidad de luz polarizada detectada por un telescopio. Por lo general, cuanto mayor sea la polarización de la luz, más fuerte será el campo magnético en la fuente.

Los astrónomos pueden ir un paso más allá para medir la dirección en la que oscila esta luz midiendo el ángulo de la luz que incide en el telescopio. Debido a que la luz polarizada sale de la fuente de manera predecible, es decir, perpendicular a su campo magnético, conocer el ángulo de la luz oscilante proporciona información sobre el eje de rotación y posiblemente incluso sobre la estructura de la superficie de objetos como estrellas y nebulosas de neutrones.

La animación de lado a lado muestra una cuerda que se mueve de lado a lado a través de una ventana abierta y una cuerda que se mueve hacia arriba y hacia abajo a través de una ventana abierta.  Cuando la ventana está cerrada, menos ondas de la cuerda que se mueven hacia arriba y hacia abajo hacen que pase a través de la ventana mientras que la cuerda que se mueve de lado a lado no se perturba.

En esta vista, la cuerda representa las ondas de luz y la ventana abierta representa un calibre de poste. Dependiendo del ángulo de las ondas de luz (la cuerda), la información a través del polarímetro (ventana) las hace más o menos estrechas. Al medir la cantidad de luz recibida a través de un polarímetro, IXPE puede determinar el ángulo y la polarización de la luz. Crédito de la imagen: NASA/JPL-Caltech | + Ampliar la imagen

Imagine, por ejemplo, que está sosteniendo un extremo de una cuerda unida a un objeto en el otro extremo. Si balancea la cuerda de un lado a otro para formar ondas horizontales, estas ondas podrán pasar a través de un objetivo angosto, como una ventana. Si comienza a cerrar la ventana desde arriba, estrechando la abertura, es posible que las olas continúen pasando por la abertura. Sin embargo, si haces olas reales moviendo la cuerda hacia arriba y hacia abajo, con la ventana cerrada, las pocas olas pasarán por el agujero. De manera similar, al medir la luz que pasa a través del polarímetro hacia el detector del otro lado, IXPE puede determinar el ángulo de la luz recibida.

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Para recoger esta luz, IXPE utiliza tres espejos idénticos al final de un brazo de cuatro metros (13 pies) de altura. La luz recibida por IXPE enfoca cuidadosamente el polarímetro de la nave espacial en el otro extremo de la barrera, lo que permite a los científicos recopilar esas medidas cruciales.

Durante la transmisión del lanzamiento del IXPE, los comentaristas discuten los componentes de la nave espacial y cómo miden la polarización. | Ver en YouTube

Por qué es importante

Sobre la base de las observaciones de Chandra de las últimas dos décadas, el nuevo enfoque de IXPE para la ciencia de rayos X está abriendo el telón de algunas de las cosas más asombrosas del universo, brindando una visión inicial de cómo y dónde se produce la radiación en algunos de los lugares del universo. entornos más extremos. Las mediciones de IXPE para Cas A son solo el comienzo, con objetivos más oscuros listos para ser explorados.

tómalo de Martín Weskovcientífico principal en IXPE y científico de proyecto en Chandra, que ha pasado 50 años trabajando en astronomía de rayos X, quien dice: «IXPE abrirá el campo de formas en las que solo nos hemos estancado en la teoría».

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El mundo del aprendizaje de la NASA Artículos basados ​​en trabajos apoyados por NASA Bajo el número de adjudicación NNX16AC65A a Instituto de Ciencias del Telescopio Espacialjunto con Caltech / IPACY el Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsoniany el Laboratorio de Propulsión a Chorro.

Etiquetas: universo, estrellas y galaxias, telescopio espacial, IXPE, astronomía, ciencia, espectro electromagnético

  • brandon rodriguez

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