Láser recrea los rayos-X emitidos por un agujero negro

Agujero negro en el laboratorio
Plasma foto-ionizado en el laboratorio

Los físicos han usado lásers de alta potencia para recrear el espectro de rayos-X que emana de algunos agujeros negros y estrellas de neutrones. Las conclusiones derivadas de tal experimento parecen entrar en conflicto con anteriores interpretaciones de datos astronómicos, lo que sugiere que puede que tengamos que repensar sobre nuestra visión de las estructuras que rodean a los agujeros negros y estrellas de neutrones.

Se producen grandes cantidades de rayos-X cuando un agujero negro o una estrella de neutrones absorbe materia procedente de una estrella compañera, creando un anillo de materia conocido como disco de acreción. Conforme la materia cae en espiral hacia el agujero negro o estrella de neutrones, la energía gravitatoria se convierte en energía cinética y calor. La intensa radiación que se libera viaja hacia el exterior (en forma de fotones) e ioniza el material más cerca del límite exterior del disco de acreción – creando un plasma que emite rayos-X.

Interpretar tal espectro de rayos-X del plasma es clave para comprender la física de tales sistemas, debido a que es imposible para los astrónomos medir directamente su temperatura, densidad y presión. También ha demostrado ser muy difícil recrear tal plasma “foto-ionizado” en la Tierra debido a que requiere una fuente de radiación extremadamente caliente.

Pero ahora investigadores en Japón, Corea y China están ayudando a abordar esta debilidad estudiando el espectro de plasmas creados en el laboratorio. Tales espectros son muy similares al producido por Cygnus X-3, un agujero negro y una estrella compañera con iones de silicio altamente ionizados en su superficie. Un espectro de rayos-X similar también se ha registrado en Vela X-1, un sistema binario estrella de neutrones-estrella.

Sube la potencia

Los investigadores produjero el espectro de rayos-X en la instalación de láser GEKKO-XII, la cual está situada en la Universidad de Osaka en Japón. El sistema combina un láser de 10 TW que es capaz de generar pulsos de nanosegundo a partir de 12 rayos láser con un láser de 10PW que puede ofrecer rayos de 4 picosegundos.

“Usamos rayos láser de 12 nanosegundos con longitud de onda, energía y duración del pulso de 0,53 µm, 4 kJ en total y 1,2 ns [respectivamente]“, explicó Shinsuke Fujioka de la Universidad de Osaka, quien propuso y organizó el experimento.

Los rayos se dispararon contra una diminuta cápsula de plástico, provocando su implosión. “Conforme menguaba, un caliente y denso núcleo de plasma se formaba en el interior de la cápsula”, dice Fujioka. La radiación produjo entones foto-ionización en una muestra cercana de gas silicio frío.

Similar, pero distinto

Fujioka dice que la forma del espectro de rayos-X es bastante similar al registrado por los astrónomos. No obstante las interpretaciones sobre el origen de las líneas de emisión características difieren.

Los astrofísicos afirman que un pico de rayos-X en 1,84 keV se genera debido a una transición prohibida de los iones de silicio. Pero Fujioka dice que los cálculos realizados por su equipo – que consideran medidas experimentales de la temperatura y densidad del plasma – sugiere que el pico está asociado con una transición de resonancia distinta de los iones de silicio.

No obstante, los investigadores admiten que no pueden proporcionar una explicación definitiva para el origen de este pico. Esto se debe a que el flujo de radiación producido en el laboratorio dura apenas una diminuta fracción de un segundo, mientras que para un objeto astrofísico compacto es continuo.

Se informa del trabajo en Nature Physics y, escribiendo en un trabajo acompañante, Paul Drake de la Universidad de Michigan describió la técnica como que tiene “un gran potencial para un mayor desarrollo”, debido a que permite que la energóa de la fuente de fotones varíe a lo largo de un amplio rango mientras que permite un gran control sobre el material foto-ionizado. No obstante, Drake también advierte que debe hacerse más trabajo para caracterizar las propiedades físicas de los plasmas resultantes.

Fujioka dice que el equipo puede ahora volver su atención hacia investigaciones sobre la absorción de intensos flujos de rayos-X. Está extendida la idea de que la proporción de absorción de rayos-X es dependiente de la intensidad del rayo, pero sospechan que un plasma puede ser capaz de hacerse transparente en flujos de rayos-X increíblemente intensos. Si este es el caso, modificará nuestra comprensión de cómo se comportan los plasmas en supernovas.


Autor: Richard Stevenson
Fecha Original: 26 de octubre de 2009
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