Los Rayos-X, mejor mirarlos de lado

Esta entrada ha sido escrita por Fco. J. M. Guardiola (@guardiolajavi) del blog Meditaciones Dactilares. Es todo un placer contar con él como nuevo cuentista.

Hace poco que la NASA puso en órbita un segundo telescopio para estudiar las diversas fuentes de Rayos-X (Lanzamiento del satélite NuSTAR (Pegasus-XL), entrada del blog Eureka) que hay repartidas por el cosmos, en esta entrada se pretende resaltar las diferencias que tiene este tipo de telescopios con los telescopios a los que estamos acostumbrados.

Telescopios y esas cosas

¿Cómo funciona un Telescopio?

La función principal de un telescopio es la de formar una imagen ampliada de un objeto lejano, para eso se utiliza un sistema óptico que está formado por lentes, o por espejos que hacen focalizar la luz en un punto del sistema, la diferencia entre los telescopios de Rayos-X y los convencionales será la forma en que se hacen converger estos haces de luz, entendiendo por luz la radiación electromagnética.

¿Por qué se puede hacer converger la luz en un Telescopio para el visible?

Como sabemos la luz presenta distintas velocidades dependiendo del medio por el que se desplace, esa velocidad depende de la longitud de onda (o color) de la luz. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad en dicho medio será lo que se conoce como índice de refracción, por lo que ese índice de refracción dependerá de la longitud de onda, y por lo tanto hará que la luz se desvíe de forma distinta para cada color.

Gracias a este fenómeno tenemos efectos tan bonitos como el arcoíris.

Pero esto será un problema a la hora de formar imágenes ya que para esto, se utiliza una lente, que no es más que un dispositivo con la forma adecuada para hacer converger los rayos de luz incidentes en un punto concreto, de esta forma tendremos que dependiendo del color de esta luz convergerá en un punto u otro, esto es lo que se conoce como aberración cromática, pero esto no nos preocupa mucho, porque hay forma de corregirlo como se ve en la siguiente figura:

Lo importante de esto es que podemos manejar, es decir, doblar o dirigir los haces de luz hacia un punto u otro, gracias a que podemos fabricar lentes con materiales que tienen un índice de refracción más o menos elevado.

Gracias a estos índices de refracción mayores que 1 (1 es el índice de refracción referencia o en el vacío, que es muy similar al del aire) la luz visible es muy manejable, además sabemos que podemos construir espejos que reflejan bastante bien la luz, con lo que podemos construir sistemas similares a la lentes, pero utilizando espejos que concentran la luz en un punto, que es el sistema que utilizan los telescopios reflectores. El índice de refracción para el vidrio es de 1.52.

¿No son los Rayos-X una radiación electromagnética, pero de una longitud de onda más corta que la luz visible?

Efectivamente, tiene una longitud de onda más pequeña, que equivale a una mayor energía.

Dado que la respuesta a la pregunta anterior es afirmativa ¿Los telescopios de Rayos-X deben ser iguales a los telescopios usados para el visible?

Me gustaría responder que sí, pero entonces ¿Para qué estaríamos escribiendo este post?, es más para que habría contado todo el rollo de los índices de refracción y demás gaitas. Con lo que la respuesta es un rotundo no, los telescopios de rayos X como el Chandra lanzado en 1999, o el más moderno NuStar lanzado en 2012 no tienen nada que ver con los telescopios del visible.

¿Me vas a contar ya la diferencia? O ¿me paso un rato por el Facebook y luego vuelvo?

No os impacientéis que ya voy, como hemos contado anteriormente gracias a que los materiales tienen un índice de refracción mayor que 1, (en el vidrio 1.52) es fácil construir lentes capaces de desviar de manera apreciable los haces de luz, sin embargo en el rango de los Rayos-X, los materiales tienen un índice de refracción que normalmente es ligeramente, muy ligeramente menor que 1, es decir, a los Rayos-X les da igual por donde vayan que ellos prácticamente no desvían su trayectoria, lo normal es que pasen a través de los objetos sin enterarse o sean absorbidos, así que focalizar los Rayos-X es una tarea complicada.

Así que para poder desviar ligeramente los haces de Rayos-X, se utilizan una serie de espejos recubiertos de Iridio que es un elemento químico que refleja muy bien los Rayos-X, y cuando digo que refleja muy bien, me refiero a que refleja muy bien los Rayos-X de baja Energía, y además siempre y cuando los mire de “ladico”, es decir incidan en una ángulo casi paralelo a la superficie, en la siguiente gráfica se muestra este hecho:

En la gráfica se muestra la reflectividad (capacidad de reflejar la luz incidente) de una capa de 30nm de Iridio en función de la energía y del ángulo de incidencia, como se ve, para obtener una reflectividad aceptable (cercana al 0.9 o 90%) para los Rayos-X de 8keV (más energéticos) tenemos que incidir en el espejo con un ángulo no superior al 0.4 grados, es decir prácticamente paralelo.

Esta es la forma en que está diseñado el telescopio Chandra y NuStar de la NASA, para focalizar los haces de Rayos-X se construyen unas láminas de material reflectante, que van a dirigir los haces que incidan de manera rasante (casi paralelo a la superficie) en dos fases, los primeros espejos tienen una ligera curvatura parabólica, y en la segunda fase unos espejos con curvatura hiperbólica ayudan a focalizar los Rayos-X en el detector, como se muestra en el esquema:

El Telescopio Chandra que es el utilizado para los Rayos-X menos energéticos (no podía ser de otra forma como ya vimos en el gráfico de reflectividad) consta de 4 espejos concéntricos como se ve en la imagen del montaje:

El Telescopio NuStar, está diseñado para mayores energías con lo que aunque el sistema físico es parecido, es decir consta de dos fases de espejos como hemos explicado antes (llamado diseño Wolter-I) en el caso del NuStar el recubrimiento no es solo una capa de Iridio, si no que el recubrimiento es un tanto especial, ya que consta de una serie de capas superpuestas de distintas anchuras y distintos materiales (Tungsteno, Platino, Carbono y Silicio) que producen que la reflectividad para altas energías sea mayor, además este telescopio en lugar de 4 espejos, tiene 130 espejos concéntricos para aumentar la cantidad de Rayos-X que lleguen al sensor, lo que le da a la óptica el siguiente aspecto:

En la siguiente imagen se aprecia el aspecto final del satélite NuStar ya en funcionamiento con las ópticas de Rayos-X en primer plano:

Como curiosidad indicar que el telescopio se puso en órbita plegado, y el mástil que separa las ópticas del sistema detector se desplegó en el espacio, en el siguiente enlace hay vídeos de las distintas fases de la misión desde el despegue hasta el “izado” del mástil.

Videos NuStar

Espero que después de la brasa que os he dado, haya quedado clara la diferencia entre las ópticas de los telescopios convencionales, y las ópticas de los telescopios de Rayos-X, y que nuestro amigo Salvador Márquez Grima, sepa cómo se han detectado sus agujeros negros favoritos: ¿Cómo detectar agujeros negros con rayos X?