Observatorio de rayos X Chandra

El telescopio espacial de la NASA se lanzó en 1999

El Observatorio de rayos X Chandra ( CXO ), anteriormente conocido como Instalación de Astrofísica Avanzada de Rayos X ( AXAF ), es un telescopio espacial de clase Flagship lanzado a bordo del Transbordador Espacial Columbia durante STS-93 por la NASA el 23 de julio de 1999. Chandra era sensible a fuentes de rayos X 100 veces más débiles que cualquier telescopio de rayos X anterior , gracias a la alta resolución angular de sus espejos. Dado que la atmósfera de la Tierra absorbe la gran mayoría de los rayos X , no son detectables desde los telescopios terrestres ; por lo tanto, se requieren telescopios espaciales para realizar estas observaciones. Chandra es un satélite terrestre en una órbita de 64 horas y su misión está en curso a partir de 2024 . ^[actualizar]

Chandra es uno de los Grandes Observatorios , junto con el Telescopio Espacial Hubble , el Observatorio de Rayos Gamma Compton (1991-2000) y el Telescopio Espacial Spitzer (2003-2020). El telescopio lleva el nombre del astrofísico indio ganador del Premio Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar . ^[7] Su misión es similar a la de la nave espacial XMM-Newton de la ESA , también lanzada en 1999, pero los dos telescopios tienen diferentes focos de diseño, ya que Chandra tiene una resolución angular mucho mayor y XMM-Newton un mayor rendimiento espectroscópico.

En respuesta a una reducción de la financiación de la NASA en 2024 por parte del Congreso de los EE. UU ., Chandra se ve amenazado con una cancelación anticipada a pesar de que le queda más de una década de funcionamiento. La cancelación se ha calificado como un posible evento de "nivel de extinción" para la astronomía de rayos X en los EE. UU. Un grupo de astrónomos ha elaborado un proyecto de divulgación pública para intentar conseguir que suficientes ciudadanos estadounidenses convenzan al Congreso de los EE. UU. de que proporcione fondos suficientes para evitar la terminación anticipada del observatorio. ^[8]

Historia

En 1976, Riccardo Giacconi y Harvey Tananbaum propusieron a la NASA el Observatorio de rayos X Chandra (llamado AXAF en ese momento) . El trabajo preliminar comenzó el año siguiente en el Centro Marshall para Vuelos Espaciales (MSFC) y el Observatorio Astrofísico Smithsoniano (SAO), donde ahora se opera el telescopio para la NASA ^[9] en el Centro de rayos X Chandra en el Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian . Mientras tanto, en 1978, la NASA puso en órbita el primer telescopio de rayos X de imágenes, Einstein (HEAO-2). El trabajo en el proyecto AXAF continuó durante las décadas de 1980 y 1990. En 1992, para reducir costos, se rediseñó la nave espacial. Se eliminaron cuatro de los doce espejos planificados, al igual que dos de los seis instrumentos científicos. La órbita planificada de AXAF se cambió a una elíptica, alcanzando un tercio del camino hacia la Luna en su punto más alejado. Esto eliminó la posibilidad de mejoras o reparaciones por parte del transbordador espacial , pero colocó al observatorio por encima de los cinturones de radiación de la Tierra durante la mayor parte de su órbita. El AXAF fue ensamblado y probado por TRW (ahora Northrop Grumman Aerospace Systems) en Redondo Beach , California .

El transbordador espacial Columbia , STS-93, se lanza en 1999

AXAF fue rebautizada como Chandra como parte de un concurso organizado por la NASA en 1998, que atrajo más de 6.000 propuestas de todo el mundo. ^[10] Los ganadores del concurso, Jatila van der Veen y Tyrel Johnson (en aquel entonces profesora de secundaria y estudiante de secundaria, respectivamente), sugirieron el nombre en honor al astrofísico indio-estadounidense ganador del Premio Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar . Es conocido por su trabajo en la determinación de la masa máxima de las estrellas enanas blancas , lo que condujo a una mayor comprensión de los fenómenos astronómicos de alta energía, como las estrellas de neutrones y los agujeros negros . ^[7] Apropiadamente, el nombre Chandra significa "luna" en sánscrito . ^[11]

Originalmente programado para ser lanzado en diciembre de 1998, ^[10] la nave espacial se retrasó varios meses, finalmente fue lanzada el 23 de julio de 1999, a las 04:31 UTC por el transbordador espacial Columbia durante STS-93 . Chandra fue desplegado por Cady Coleman ^[12] desde Columbia a las 11:47 UTC. El motor de la primera etapa de la etapa superior inercial se encendió a las 12:48 UTC, y después de arder durante 125 segundos y separarse, la segunda etapa se encendió a las 12:51 UTC y ardió durante 117 segundos. ^[13] Con 22,753 kilogramos (50,162 lb), ^[1] fue la carga útil más pesada lanzada jamás por el transbordador, una consecuencia del sistema de cohete propulsor de dos etapas de la etapa superior inercial necesario para transportar la nave espacial a su órbita alta.

Chandra ha estado enviando datos desde el mes posterior a su lanzamiento. Su funcionamiento está a cargo del SAO en el Centro de rayos X Chandra en Cambridge, Massachusetts , con la asistencia del MIT y Northrop Grumman Space Technology. Los CCD del ACIS sufrieron daños por partículas durante los primeros pasos por el cinturón de radiación. Para evitar más daños, el instrumento ahora se retira del plano focal del telescopio durante los pasos.

Aunque inicialmente se había previsto que Chandra tuviera una vida útil de cinco años, el 4 de septiembre de 2001 la NASA extendió su vida útil a diez años "basándose en los extraordinarios resultados del observatorio". ^[14] Físicamente, Chandra podría durar mucho más. Un estudio realizado en 2004 en el Centro de rayos X Chandra indicó que el observatorio podría durar al menos quince años. ^[15] Está activo desde 2024 y tiene un próximo calendario de observaciones publicado por el Centro de rayos X Chandra. ^[16]

En julio de 2008, el Observatorio Internacional de Rayos X , un proyecto conjunto entre la ESA , la NASA y la JAXA , fue propuesto como el próximo gran observatorio de rayos X, pero luego fue cancelado. ^[17] La ​​ESA luego resucitó una versión reducida del proyecto como el Telescopio Avanzado para Astrofísica de Altas Energías (ATHENA), con un lanzamiento propuesto en 2028. ^[18]

El 10 de octubre de 2018, Chandra entró en modo seguro de operaciones debido a una falla en el giroscopio. La NASA informó que todos los instrumentos científicos estaban a salvo. ^{[19] [20]} En cuestión de días, se entendió el error de 3 segundos en los datos de un giroscopio y se hicieron planes para que Chandra volviera a funcionar a pleno rendimiento. El giroscopio que experimentó la falla se colocó en reserva y, por lo demás, está en buen estado. ^[21]

En marzo de 2024, el Congreso decidió reducir la financiación de la NASA y sus misiones, lo que podría provocar el fin prematuro de esta misión. ^[22] En junio de 2024, los senadores instaron a la NASA a reconsiderar los recortes a Chandra, lo que fue aceptado. ^[23]

Descubrimientos de ejemplo

Tripulación del STS-93 con una maqueta

Los datos recopilados por Chandra han hecho avanzar enormemente el campo de la astronomía de rayos X. A continuación, se muestran algunos ejemplos de descubrimientos respaldados por observaciones de Chandra:

• La primera imagen de luz, del remanente de supernova Cassiopeia A , dio a los astrónomos su primera visión del objeto compacto en el centro del remanente, probablemente una estrella de neutrones o un agujero negro. ^{[24] [25]}
• En la Nebulosa del Cangrejo , otro remanente de supernova, Chandra mostró un anillo nunca antes visto alrededor del púlsar central y chorros que solo habían sido vistos parcialmente por telescopios anteriores. ^[26]
• La primera emisión de rayos X se observó desde el agujero negro supermasivo , Sagitario A* , en el centro de la Vía Láctea . ^[27]
• Chandra encontró mucho más gas frío del esperado viajando en espiral hacia el centro de la galaxia de Andrómeda .
• Los frentes de presión se observaron en detalle por primera vez en Abell 2142 , donde se están fusionando cúmulos de galaxias.
• Las primeras imágenes en rayos X de la onda de choque de una supernova fueron tomadas de SN 1987A .
• Chandra mostró por primera vez la sombra de una pequeña galaxia mientras es canibalizada por una más grande, en una imagen de Perseo A.
• Se descubrió un nuevo tipo de agujero negro en la galaxia M82 : objetos de masa media que se supone son el eslabón perdido entre los agujeros negros de tamaño estelar y los agujeros negros supermasivos . ^[28]
• Las líneas de emisión de rayos X se asociaron por primera vez con un estallido de rayos gamma , Beethoven Burst GRB 991216. ^[29]
• Los estudiantes de secundaria, utilizando datos de Chandra, descubrieron una estrella de neutrones en el remanente de supernova IC 443. [ ^30]
• Las observaciones de Chandra y BeppoSAX sugieren que los estallidos de rayos gamma ocurren en regiones de formación estelar .
• Los datos de Chandra sugirieron que RX J1856.5-3754 y 3C58 , que anteriormente se creía que eran púlsares, podrían ser objetos aún más densos: estrellas de quarks . Estos resultados aún son motivo de debate.
• Se observaron ondas sonoras provenientes de una actividad violenta alrededor de un agujero negro supermasivo en el cúmulo de Perseo (2003).

• 

  Imagen CXO de la enana marrón TWA 5B

  TWA 5B, una enana marrón , fue vista orbitando un sistema binario de estrellas similares al Sol .
• Casi todas las estrellas de la secuencia principal son emisoras de rayos X. ^[31]
• La sombra de rayos X de Titán fue vista cuando transitó la Nebulosa del Cangrejo.
• Emisiones de rayos X de materiales que caen desde un disco protoplanetario hacia una estrella. ^[32]
• La constante de Hubble medida es de 76,9 km/s/ Mpc utilizando el efecto Sunyaev-Zel'dovich . ^[33]
• En 2006, Chandra encontró pruebas sólidas de la existencia de materia oscura al observar colisiones de supercúmulos. ^[34]
• En 2006, se descubrieron bucles, anillos y filamentos emisores de rayos X alrededor de un agujero negro supermasivo dentro de Messier 87, lo que implica la presencia de ondas de presión, ondas de choque y ondas sonoras. La evolución de Messier 87 puede haberse visto dramáticamente afectada. ^[35]
• Las observaciones del cúmulo Bullet ponen límites a la sección transversal de la autointeracción de la materia oscura . ^[36]
• "La mano de Dios" fotografía de PSR B1509-58 .
• Los rayos X de Júpiter provienen de los polos, no del anillo auroral. ^[37]
• Se encontró un gran halo de gas caliente rodeando la Vía Láctea. ^[38]
• Se observó la galaxia enana M60-UCD1 extremadamente densa y luminosa . ^[39]
• El 5 de enero de 2015, la NASA informó que CXO observó una llamarada de rayos X 400 veces más brillante de lo habitual, un récord, procedente de Sagitario A* , el agujero negro supermasivo situado en el centro de la Vía Láctea . El inusual acontecimiento puede haber sido causado por la rotura de un asteroide que cayó en el agujero negro o por el entrelazamiento de las líneas del campo magnético dentro del gas que fluye hacia Sagitario A*, según los astrónomos. ^[40]
• En septiembre de 2016, se anunció que Chandra había detectado emisiones de rayos X de Plutón , la primera detección de rayos X de un objeto del cinturón de Kuiper . Chandra había realizado las observaciones en 2014 y 2015, en apoyo de la nave espacial New Horizons para su encuentro de julio de 2015. ^[41]
• En septiembre de 2020, se informó que Chandra pudo haber realizado una observación de un exoplaneta en la Galaxia del Remolino , que sería el primer planeta descubierto más allá de la Vía Láctea. ^{[42] [43] [44]}
• En abril de 2021, la NASA anunció los hallazgos del observatorio en un tuit que decía: "Urano emite rayos X, según los astrónomos". El descubrimiento tendría "consecuencias intrigantes para la comprensión de Urano" si se confirma que los rayos X se originan en el planeta y no son emitidos por el Sol. ^[45]

Descripción técnica

Montaje del telescopio

El espejo principal de AXAF (Chandra)

Unidad de vuelo HRC de Chandra

A diferencia de los telescopios ópticos que poseen superficies parabólicas aluminizadas simples (espejos), los telescopios de rayos X generalmente utilizan un telescopio Wolter que consiste en superficies paraboloides e hiperboloides cilíndricos anidados recubiertos con iridio u oro . Los fotones de rayos X serían absorbidos por superficies de espejo normales, por lo que se necesitan espejos con un ángulo rasante bajo para reflejarlos. Chandra utiliza cuatro pares de espejos anidados, junto con su estructura de soporte, llamada Conjunto de Espejos de Alta Resolución (HRMA); el sustrato del espejo es un vidrio de 2 cm de espesor, con la superficie reflectante un recubrimiento de iridio de 33 nm, y los diámetros son 65 cm, 87 cm, 99 cm y 123 cm. ^[46] El sustrato grueso y el pulido particularmente cuidadoso permitieron una superficie óptica muy precisa, que es responsable de la resolución inigualable de Chandra: entre el 80% y el 95% de la energía de rayos X entrantes se enfoca en un círculo de un segundo de arco . Sin embargo, el espesor del sustrato limita la proporción de la abertura que se llena, lo que genera un área de recolección baja en comparación con XMM-Newton .

La órbita altamente elíptica de Chandra le permite realizar observaciones continuas durante hasta 55 horas de su período orbital de 65 horas . En su punto orbital más alejado de la Tierra, Chandra es uno de los satélites que orbitan la Tierra más distantes. Esta órbita lo lleva más allá de los satélites geoestacionarios y más allá del cinturón exterior de Van Allen . ^[47]

Con una resolución angular de 0,5 segundos de arco (2,4 μrad), Chandra posee una resolución 1.000 veces mejor que la del primer telescopio de rayos X en órbita.

El CXO utiliza giroscopios mecánicos , ^[48] que son sensores que ayudan a determinar en qué dirección apunta el telescopio. ^[49] Otros sistemas de navegación y orientación a bordo del CXO incluyen una cámara de aspecto, sensores de Tierra y Sol y ruedas de reacción . También tiene dos juegos de propulsores, uno para el movimiento y otro para descargar el impulso. ^[49]

Instrumentos

El módulo de instrumentos científicos (SIM) contiene los dos instrumentos del plano focal, el espectrómetro de imágenes CCD avanzado (ACIS) y la cámara de alta resolución (HRC), moviendo el que sea necesario a su posición durante una observación.

El ACIS consta de 10 chips CCD y proporciona imágenes e información espectral del objeto observado. Opera en el rango de energía de los fotones de 0,2 a 10 keV . El HRC tiene dos componentes de placa de microcanales y toma imágenes en el rango de 0,1 a 10 keV. También tiene una resolución temporal de 16 microsegundos . Ambos instrumentos se pueden utilizar de forma independiente o junto con una de las dos rejillas de transmisión del observatorio .

Las rejillas de transmisión, que se desplazan en el camino óptico detrás de los espejos, proporcionan a Chandra espectroscopia de alta resolución. El espectrómetro de rejilla de transmisión de alta energía (HETGS) funciona en rangos de 0,4 a 10 keV y tiene una resolución espectral de 60 a 1000. El espectrómetro de rejilla de transmisión de baja energía (LETGS) tiene un rango de 0,09 a 3 keV y una resolución de 40 a 2000.

Resumen: ^[50]

• Cámara de alta resolución (HRC)
• Espectrómetro de imágenes CCD avanzado (ACIS)
• Espectrómetro de rejilla de transmisión de alta energía (HETGS)
• Espectrómetro de rejilla de transmisión de baja energía (LETGS)

Galería

Diagrama etiquetado de CXO

Animación de la órbita del Observatorio de rayos X Chandra alrededor de la Tierra el 7 de agosto de 1999
  Chandra  ·   Tierra

• 
  Rayos X de Plutón
• 
  Júpiter en luz de rayos X
• 
  Restos de la supernova de Tycho en luz de rayos X
• 
  SN 2006gy (arriba a la derecha) y su galaxia madre NGC 1260
• 
  Órbita del CXO al 7 de enero de 2014
• 
  El núcleo M31 bajo la luz de rayos X
• 
  PSR B1509-58 – rojo, verde y azul/máxima energía
• 
  La turbulencia podría impedir que los cúmulos de galaxias se enfríen.
• 
  Brillante llamarada de rayos X de Sagitario A* , un agujero negro supermasivo en la Vía Láctea ^[40]
• 
  SNR 0519–69.0 – restos de una estrella en explosión en la Gran Nube de Magallanes
• 
  Imágenes publicadas para celebrar el Año Internacional de la Luz 2015
• 
  Cúmulo de estrellas recién formadas en la Nebulosa de Orión
• 
  GK Persei : Nova de 1901
• 
  Anillos de luz de rayos X de una estrella de neutrones en Circinus X-1
• 
  Cygnus X-1 , el primer agujero negro potente descubierto
• 
  Imagen del Campo Profundo Sur de Chandra, estimada por Kimberly Arcand , que muestra 5000 agujeros negros

Véase también

• Portal de astronomía
• Portal de vuelos espaciales

• AGILE (satélite) , un telescopio orbital de rayos X italiano
• Programa Grandes Observatorios
• Lista de campos profundos
• Lista de telescopios espaciales
• Lista de telescopios espaciales de rayos X
• Observatorio de rayos X Lynx , posible sucesor
• NuSTAR
• Suzaku , un satélite hermano originado de AXAF-S (espectrómetro)
• Astronomía de rayos X

Referencias

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Lectura adicional

• Swartz, Douglas A.; Wolk, Scott J.; Fruscione, Antonella (20 de abril de 2010). "La primera década de descubrimiento de Chandra". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 107 (16): 7127–7134. Bibcode :2010PNAS..107.7127S. doi : 10.1073/pnas.0914464107 . PMC  2867717 . PMID  20406906.

Enlaces externos

• Observatorio de rayos X Chandra en NASA.gov
• Observatorio de rayos X Chandra en Harvard.edu
• Centro de rayos X Chandra (CXC) en Harvard.edu
• Observatorio de rayos X Chandra en YouTube
• Podcast de Chandra (2010) de Astronomy Cast