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Cuando una estrella nace o muere, o cuando ocurre cualquier otro fenómeno muy energético en el universo, emite rayos x, que son partículas de luz de alta energía que no son visibles a simple vista. Estas radiografías son del mismo tipo. que usan los medicospara tomar fotografías de huesos rotos dentro del cuerpo. Pero en lugar de observar las sombras producidas por los huesos que detienen los rayos X dentro de una persona, los astrónomos detectan rayos X que vuelan por el espacio para obtener imágenes de eventos como agujeros negros y supernovas.

Las imágenes y los espectros (gráficos que muestran la distribución de la luz en diferentes longitudes de onda de un objeto) son las dos formas principales en que los astrónomos investigan el universo. Las imágenes les dicencómo se ven las cosas y dónde están sucediendo ciertos fenómenos, mientras los espectros les dicencuánta energía tienen los fotones, o partículas de luz, que están recolectando. Los espectros pueden indicarles cómo se formó el evento del que provienen. Al estudiar objetos complejos, necesitan tanto imágenes y espectros.

Científicos e ingenieros diseñaron el Observatorio de rayos X Chandrapara detectar estos rayos X. Desde 1999, los datos de Chandra han proporcionado a los astrónomos imágenes increíblemente detalladas de algunos de los acontecimientos más dramáticos del universo.

La nave espacial Chandra y sus componentes. NASA/CXC/SAO y J. Vaughan

Las estrellas que se forman y mueren crean explosiones de supernova que envían elementos químicos al espacio. Chandra observa como el gas y las estrellas cae en las profundas fuerzas gravitacionales de los agujeros negros, y da testimonio de ello cuando un gas mil veces más caliente que el Sol escapa de las galaxias en vientos explosivos. Se puede ver cuando la gravedad de enormes masas de materia oscura atrapa ese gas caliente en bolsas gigantescas.

A la izquierda está la supernova Casiopea A. La imagen tiene aproximadamente 19 años luz de ancho y diferentes colores en la imagen identifican diferentes elementos químicos (el rojo indica silicio, el amarillo indica azufre, el cian indica calcio, el violeta indica hierro y el azul indica alta energía). El punto en el centro podría ser el resto de la estrella de neutrones de la estrella que explotó. A la derecha están las galaxias ‘Antenas’ en colisión, que forman una estructura gigantesca de unos 30.000 años luz de diámetro. Centro de rayos X Chandra

La NASA diseñó Chandra para orbitar alrededor de la Tierra porque no podría ver nada de esta actividad desde la superficie de la Tierra. La atmósfera terrestre absorbe rayos X provenientes del espacio, lo cual es excelente para la vida en la Tierra porque estos rayos X pueden dañar los organismos biológicos. Pero también significa que incluso si la NASA colocara a Chandra en la cima de la montaña más alta, todavía no sería capaz de detectar rayos X. La NASA necesitaba enviar a Chandra al espacio.

soy astrofísico en el Observatorio Astrofísico Smithsonian, parte del Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian. He estado trabajando en Chandra desde antes de su lanzamiento hace 25 años, y ha sido un placer ver lo que el observatorio puede enseñar a los astrónomos sobre el universo.

Agujeros negros supermasivos y sus galaxias anfitrionas

Los astrónomos han encontrado agujeros negros supermasivosque tienen masas de diez a 100 millones de veces la de nuestro Sol, en los centros de todas las galaxias. Estos agujeros negros supermasivos se encuentran en su mayoría allí pacíficamente, y los astrónomos pueden detectarlos observando la atracción gravitacional que ejercen sobre las estrellas cercanas.

Pero a veces, estrellas o nubes caen en estos agujeros negros, lo que los activa y hace que la región cercana al agujero negro emita muchos rayos X. Una vez activados, se llaman núcleos galácticos activos, AGN, o quásares.

Mis colegas y yo queríamos comprender mejor qué le sucede a la galaxia anfitriona una vez que su agujero negro se convierte en un AGN. Elegimos una galaxia ESO 428-G014para mirar con Chandra.

Un AGN puede eclipsar a su galaxia anfitriona, lo que significa que proviene más luz del AGN que de todas las estrellas y otros objetos de la galaxia anfitriona. El AGN también deposita mucha energía dentro de los límites de su galaxia anfitriona. Este efecto, que los astrónomos llaman retroalimentación, es un ingrediente importante para los investigadores que están creando simulaciones que modelan cómo evoluciona el universo con el tiempo. Pero todavía no sabemos qué papel juega la energía de un AGN en la formación de estrellas en su galaxia anfitriona.

Afortunadamente, las imágenes de Chandra pueden proporcionar información importante. Utilizo técnicas computacionales para construir y procesar imágenes del observatorio que pueden informarme sobre estos AGN.

Obteniendo la resolución definitiva de Chandra. De izquierda a derecha, ve la imagen sin procesar, la misma imagen con una resolución más alta y la imagen después de aplicar un algoritmo de suavizado. g.fabbiano

El agujero negro supermasivo activo en ESO 428-G014 produce rayos X que iluminan un área grande, que se extiende hasta 15.000 años luz de distancia del agujero negro. La imagen básica que generé. de ESO 428-G014 con datos de Chandra me dice que la región cercana al centro es la más brillante y que hay una región grande y alargada de emisión de rayos X.

Los mismos datos, con una resolución ligeramente mayor, muestran dos regiones distintas con altas emisiones de rayos X. Hay una «cabeza», que abarca el centro, y una «cola» ligeramente curvada que se extiende hacia abajo desde esta región central.

También puedo procesar los datos con un algoritmo de suavizado adaptativo que lleva la imagen a una resolución aún mayor y crea una imagen más clara de cómo se ve la galaxia. Esto muestra nubes de gas alrededor del brillante centro.

Mi equipo ha podido ver algunas de las formas en que el AGN interactúa con la galaxia. Las imágenes muestran vientos nucleares que barren la galaxia, nubes densas y gas interestelar que reflejan la luz de rayos X y chorros que disparan ondas de radio que calientan las nubes de la galaxia.

Estas imágenes nos enseñan cómo funciona este proceso de retroalimentación en detalle y cómo medir cuánta energía deposita un AGN. Estos resultados ayudarán a los investigadores a producir simulaciones más realistas de cómo evoluciona el universo.

Los próximos 25 años de astronomía de rayos X

El año 2024 marca el vigésimo quinto año desde que Chandra comenzó a realizar observaciones del cielo. Mis colegas y yo seguimos dependiendo de Chandra para responder preguntas sobre el origen del universo que ningún otro telescopio puede responder.

Al proporcionar a los astrónomos datos de rayos X, los datos de Chandra complementan la información del telescopio espacial Hubble y el telescopio espacial James Webb dar a los astrónomos respuestas únicas a preguntas abiertas en astrofísica, como por ejemplo de dónde proceden los agujeros negros supermasivos que se encuentran en los centros de todas las galaxias.

Para esta pregunta en particular, los astrónomos utilizaron Chandra para observar una galaxia lejana observada por primera vez por el Telescopio Espacial James Webb. Esta galaxia emitió la luz captada por Webb hace 13.400 millones de años, cuando el universo era joven. Los datos de rayos X de Chandra revelaron un brillante agujero negro supermasivo en esta galaxia y sugirieron que se pueden formar agujeros negros supermasivos por la Nubes colapsadas en el universo primitivo..

Las imágenes nítidas han sido cruciales para estos descubrimientos. Pero se espera que Chandra durará sólo otros 10 años. Para mantener la búsqueda de respuestas, los astrónomos tendrán que empezar a diseñar un observatorio de rayos X “súper Chandra” que podría suceder al Chandra en las próximas décadas, aunque la NASA aún no ha anunciado ningún plan firme para hacerlo.


Giuseppina Fabbiano es astrofísico senior en el Instituto Smithsonian. Este artículo se republica desde La conversación debajo de Licencia Creative Commons. Leer el artículo original.