Rayos X. Se resuelve un misterio, y se revela otro.

En el siglo pasado, los seres humanos se dieron cuenta de que el espacio está lleno de tipos de luz que no podemos ver, desde señales infrarrojas liberadas por las estrellas calientes y galaxias, a la radiación cósmica de fondo que viene de todos los rincones del universo. Parte de esta luz invisible que llena el espacio, toma la forma de los rayos X.

Y no ha sido hasta que el vuelo del cohete sonda DXL ( Diffuse X-ray emission from the Local galaxy), lanzado en 2012, que los científicos han tenido respuestas concretas acerca de las fuentes de los rayos X. En un nuevo estudio, publicado hoy 23 de septiembre de 2016, en la revista Astrophysical Journal, los datos de DXL confirma algunas de las ideas acerca de dónde proceden estos rayos X, y a su vez, el fortalecimiento de nuestra comprensión de la historia temprana de nuestra vecindad solar. Pero los datos también revelan un nuevo misterio, un grupo entero de rayos X que no proceden de ninguna fuente conocida.

animation (not to scale) depicting sounding rocket observations of solar wind
Investigadores financiados por la NASA, enviaron un cohete sonda través de una densa estela de helio procedente del sol, llamado el cono de helio-concentración, para comprender el origen de ciertos rayos X en el espacio. (Gráfico conceptual no está a escala). Créditos: Imagen conceptual del laboratorio de la NASA Goddard / Lisa Poje

Las dos fuentes conocidas de la emisión de rayos X son el viento solar, y la burbuja caliente local, un área teorizada de material interestelar caliente que rodea nuestro sistema solar.

“Demostramos que la contribución de rayos X desde el intercambio de carga de viento solar es de aproximadamente el cuarenta por ciento en el plano galáctico, e incluso menos en otros lugares”, dijo Massimiliano Galeazzi, astrofísico de la Universidad de Miami y uno de los autores del estudio. “De modo que el resto de los rayos X tienen que venir de la burbuja caliente local, lo que prueba que existe”.

Vídeo animación que ilustra el intercambio de carga de viento solar en acción. Un átomo de helio interestelar (azul) choca con un ion de viento solar (rojo), la pérdida de uno de sus electrones (amarillo) a la otra partícula. A medida que se asiente en un estado de menor energía, el electrón emite rayos X de baja energía.

Sin embargo,  DXL mide también unos rayos X de alta energía, que no podría venir del viento solar o la burbuja caliente local.

“A energías más altas, estas fuentes contribuyen menos de una cuarta parte de las emisiones de rayos X”, dijo Youaraj Uprety, autor principal del estudio y astrofísico de la Universidad de Miami en el momento en que se realizó la investigación. “Así que hay una fuente desconocida de los rayos X en este rango de energía.”

Desde que se descubrió por primera vez la emisión de rayos X que impregna el espacio, tres teorías principales han estado muy de moda para explicar sus orígenes. En primer lugar, y que rápidamente se descartó, fue la idea de que estos rayos X son un tipo de ruido de fondo, procedente de los lejanos confines del universo. Nuestra galaxia tiene una gran cantidad de gas neutro que absorben los rayos X procedentes de fuentes distantes, lo que significa que estos rayos X deben originarse en algún lugar cerca de nuestro sistema solar.

launch of DXL sounding rocket in 2012
Cohete sonda DXL lanzado desde White Sands Missile Range, en Nuevo México, el 13 de Diciembre de 2012, para estudiar el origen de ciertos rayos X observados cerca de la Tierra. Créditos: White Sands Missile Range, Información Visual Branch

Entonces, ¿qué podría producir este tipo de rayos X tan cerca de nuestro sistema solar? Los científicos teorizaron que había una enorme burbuja de gas caliente ionizado que envuelve nuestro sistema solar, con electrones con la suficiente energía que podrían liberar los rayos X como este. Llamaron a esta estructura de la burbuja caliente local.

“Creemos que hace unos 10 millones de años, una supernova explotó y se ionizó el gas de la burbuja caliente local”, dijo Galeazzi. “Pero una supernova no sería suficiente para crear una cavidad tan grande y llegar a estas temperaturas, por lo que fue probablemente dos o tres supernovas, una dentro del otra.”

La burbuja caliente local fue la teoría predominante durante muchos años. Luego, a finales de 1990, los científicos descubrieron otra fuente de rayos X, en un proceso llamado intercambio de carga de viento solar.

Nuestro sol está en constante liberación de material solar en todas las direcciones, un flujo de partículas cargadas llamado el viento solar. Como el sol, el viento solar se compone de gas ionizado, donde los electrones y los iones se han separado. Esto significa que el viento solar puede llevar a campos eléctricos y magnéticos.

Cuando el viento solar cargado interactua con bolsas de gas neutro, donde los electrones y los iones están todavía fuertemente unidos entre sí, se puede recoger a los electrones de estas partículas neutras. A medida que estos electrones se instalan de nuevo en un estado estable, pierden energía en forma de rayos X, el mismo tipo de rayos X en que se había pensado que procedía de la burbuja caliente local.

El descubrimiento de esta fuente de rayos X en el viento solar plantea un problema para la teoría de la burbuja caliente local, ya que la única indicación de que existía eran estas observaciones de rayos-X. Pero si existiera la burbuja caliente, podría decirnos mucho acerca de cómo se formó nuestro rincón de la galaxia.

“La identificación de la contribución de rayos X de la burbuja caliente local es importante para la comprensión de la estructura que rodea nuestro sistema solar”, dijo Uprety, que ahora es un astrofísico de Middle Tennessee State University. “Nos ayuda a construir mejores modelos de la materia interestelar en nuestra vecindad solar”.

Distinguir entre los rayos X del viento solar y los rayos X de la burbuja caliente local fue un desafío, aquí es donde entra en juego  DXL, que voló en lo que se llama un cohete sonda, que vuela durante unos 15 minutos.

Estos pocos minutos de tiempo de observación por encima de la atmósfera terrestre son valiosos, ya que la Tierra bloquea la mayoría de estos rayos X, haciendo observaciones como esta imposibles desde tierra. Tales cohetes sonda de corta duración proporcionan una forma relativamente barata para recoger observaciones espaciales robustas.

DXL es la segunda nave espacial para medir los rayos X en cuestión, pero a diferencia de la misión anterior, un satélite llamado ROSAT, DXL voló en un momento en que la Tierra estaba pasando por algo que se llama el cono de helio-enfoque. El cono de helio-enfoque es una región del espacio donde el helio neutro es varias veces más denso que en el resto del sistema solar interior.

Dibujo20140728 Modelled interstellar He density showing the He focusing cone - Keplerian He orbits Earth orbit DXL and ROSAT observing geometries - nature13525-f1

“El sistema solar se mueve a través del espacio interestelar a unos 218.000 Kilometros por segundo”, dijo Uprety. “Este espacio está lleno de hidrógeno y helio. El helio es un poco más pesado, por lo que esculpe alrededor del sol para formar una cola “.

Debido a que el intercambio de carga de viento solar depende de tener un montón de material neutro para interactuar con el, la medición de los rayos X en el cono de helio-enfoque podría ayudar a los científicos a determinar definitivamente la cantidad de la emisión de rayos X proviene del viento solar, y cuánto, en su caso,  proviene de la burbuja caliente local.

Los datos de DXL revelaron que alrededor del cuarenta por ciento de los rayos X observados provienen del viento solar. Pero en los rangos más altos de energía, algunos rayos X son todavía inexplicables. Las observaciones de DXL muestran que menos de una cuarta parte de las emisiones de rayos X en los niveles más altos de energía proviene del viento solar, y la burbuja caliente local no es una buena explicación tampoco.

“La temperatura de la burbuja caliente local no es lo suficientemente alta como para producir rayos X en este rango de energía”, dijo Uprety. “Así que nos quedamos con una pregunta abierta sobre la fuente de estos rayos X”.


DXL, lanzado desde White Sands Missile Range en Nuevo México el 13 de diciembre de 2012. DXL es apoyado a través del Programa cohete sonda de la NASA en Wallops Flight Facility de la agencia en Wallops Island, Virginia, que es administrado por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland . División de Heliofísica de la NASA dirige el programa de sondeo-cohete para la agencia.

Fuentes:

http://iopscience.iop.org/article/10.3847/0004-637X/829/2/83

http://www.nasa.gov/content/goddard/nasa-funded-x-ray-instrument-settles-interstellar-debate/#.V-WIY_mLTIV

http://www.nasa.gov/mission_pages/sounding-rockets/index.html

 

 

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