Chandra descubrió que hay rayos X en Plutón

Esta imagen en rayos X de Plutón fue realizada en cuatro observaciones del planeta con el Observatorio de rayos X Chandra, de la NASA. El descubrimiento sentó las bases para la astronomía en rayos X en el Cinturón de Kuiper. La imagen abarca 285.000 kilómetros de ancho. Crédito de la imagen: NASA/CXC/JHUAPL/R.McNutt et al
Esta imagen en rayos X de Plutón fue realizada en cuatro observaciones del planeta con el Observatorio de rayos X Chandra, de la NASA. El descubrimiento sentó las bases para la astronomía en rayos X en el Cinturón de Kuiper. La imagen abarca 285.000 kilómetros de ancho. Crédito de la imagen: NASA/CXC/JHUAPL/R.McNutt et al

Los científicos de la misión New Horizons realizaron las primeras detecciones de rayos X de Plutón utilizando el Observatorio de Rayos X Chandra, de la NASA.

Mientras la nave espacial New Horizons aceleraba hacia, y más allá de Plutón, Chandra fue apuntado cuatro veces hacia el planeta enano y sus lunas, recogiendo información que ambas misiones podrían comparar después del sobrevuelo. Cada una de las cuatro veces que Chandra apuntó a Plutón, entre febrero de 2.014 y agosto de 2.015, detectó rayos X de baja energía del pequeño planeta.

Invención de la astronomía de rayos X en los confines del Sistema Solar

Plutón es el objeto más grande en el Cinturón de Kuiper, un anillo o cinturón que contiene una vasta población de cuerpos pequeños que orbitan el Sol más allá de Neptuno. El Cinturón de Kuiper se extiende desde la órbita de Neptuno, entre 30 y 50 veces la distancia a la Tierra desde el Sol. El alcance de la órbita de Plutón se extiende por todo el Cinturón de Kuiper.

La ilustración muestra que New Horizons detectó, en su trayectoria, cómo afecta el viento solar la atmósfera de Plutón. Crédito de la imagen: NASA-JHUAPL-SwRI
La ilustración muestra que New Horizons detectó, en su trayectoria, cómo afecta el viento solar la atmósfera de Plutón. Crédito de la imagen: NASA-JHUAPL-SwRI

“Por primera vez detectamos rayos X provenientes de un objeto de nuestro Cinturón de Kuiper, y aprendimos que Plutón está interactuando con el viento solar de una manera energética e inesperada. Podemos esperar que otros grandes objetos del Cinturón de Kuiper estén haciendo lo mismo”, señaló Carey Lisse, astrofísico del Laboratorio de Física Aplicada de la Johns Hopkins University, en Laurel, Maryland, quien lideró el equipo de observación de Chandra con Ralph McNutt, colega de APL y co-investigador de New Horizons.

El equipo publicó recientemente sus hallazgos en la versión online de Icarus. El reporte detalla lo que Lisse refiere como una detección sorprendente puesto que Plutón, que es frío, rocoso y sin campo magnético, no cuenta con un mecanismo natural para la emisión de rayos X. Pero Lisse, quien también lideró el equipo que en 1.996 hizo las primeras detecciones de rayos X de un cometa, el Hyakutake, sabía que la interacción entre los gases cercanos a este tipo de cuerpos planetarios y el viento solar (las constantes corrientes de partículas cargadas desde el Sol que se desplazan velozmente por el Sistema Solar) pueden crear rayos X.

El Sol está detrás de todo

El asunto es el siguiente: la manera en que los cometas emiten rayos X no es porque sean calientes y altamente energizados, como los agujeros negros, las estrellas, las ondas de choque en colisión, las estrellas de neutrones. En realidad, los cometas son muy fríos, y liberan gases de sus elementos congelados cuando se aproximan al Sol.

Así que tenemos los gases, por una parte, y, por la otra el Sol, que es el elemento más grande y más caliente del Sistema Solar. Nuestra estrella emite no sólo sus propios rayos X, sino que también impulsa una corriente de plasma ionizado altamente energizado, un gas compuesto de electrones libres y núcleos atómicos libres desde su corona. Esta corriente, a la que llamamos viento solar, contiene iones, altamente cargados, de, entre muchos otros elementos: hidrógeno, helio, carbono, nitrógeno, oxígeno, hierro, magnesio, neón y azufre. Si uno de estos iones se acerca a otro átomo con todos sus electrones, le arrancará uno o dos, emitiendo fotones de rayos X en el proceso.

Así caemos en cuenta, una vez más, que el Sol hace la mayor parte del proceso relacionado con los rayos X en el Sistema Solar. Los cometas y planetas ‘sólo’ aportan los electrones que interactúan con los iones del viento solar, o son buenos reflectores de los rayos X emitidos por el Sol.

Conozcan a SWAP, un instrumento con un nombre simple y adecuado

El instrumento SWAP, de New Horizons, destinado a medir la interacción del viento solar y el sistema de Plutón.
El instrumento SWAP, de New Horizons, destinado a medir la interacción del viento solar y el sistema de Plutón.

Los científicos de New Horizons estaban interesados particularmente en aprender más sobre la interacción entre el viento solar y los gases de la atmósfera de Plutón. La nave espacial transporta un instrumento diseñado para medir de cerca esa actividad, nombrado acertadamente Viento Solar Alrededor de Plutón (SWAP, por Solar Wind Around Pluto). Los científicos están utilizando esa información para construir una imagen que contiene algo similar a un arco de choque muy sutil (similar a la onda de choque que se forma delante de una aeronave supersónica), donde el viento solar ‘se encuentra’ con Plutón, y una pequeña estela o cola detrás del planeta.

El misterio inmediato que surge de las lecturas del brillo de los rayos X realizadas con Chandra, es que son más altas que las esperadas de la interacción del viento solar con la atmósfera de Plutón.

“Antes de nuestras observaciones, los científicos pensaban que era altamente improbable que íbamos a detectar rayos X desde Plutón, causando un fuerte debate que se limitaba a si Chandra podría observarlos. Previo a Plutón, el cuerpo más distante del Sistema Solar donde se detectaron emisiones de rayos X fueron los anillos y el disco de Saturno”, señaló Scott Wolk, quien es co-autor de la publicación, y pertenece al Harvard-Smithsonian for Astrophysics Center, en Cambridge, Massachussets.

Algunos fotones ¡por favor!

Los astrofísicos Carey Lisse y Ralph McNutt Jr., astrofísicos del Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, autores principales de la investigación publicada en Icarus.
Los astrofísicos Carey Lisse y Ralph McNutt Jr., astrofísicos del Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, autores principales de la investigación publicada en Icarus.

Las declaraciones de Lisse, McNutt y Wolk dejan en el camino las gestiones que debieron realizarse ante quienes operan el Observatorio Chandra. ¿Cómo se atrevieron a proponer mediciones de rayos X desde Plutón, pasándose por encima a Urano y Neptuno?

Podemos resumir la discusión, que incluyó el peligro de apuntar Chandra demasiado hacia el Sol, del que Plutón se hallaba muy cerca -visto desde la Tierra- en julio de 2.015.
La respuesta es que New Horizons estaba allí, rumbo a hacer el sobrevuelo y luego de efectuarlo, cuando el pedido de observación fue realizado y se hizo cuando la nave espacial se hallaba aún muy lejos de Plutón.

Y en las primeras observaciones… los científicos hallaron dos fotones de rayos X provenientes de la zona de Plutón, cuando lo esperado era que no hubiera nada. Sí, apenas un par de fotones, menos de un puñado, que son tan importantes, y tan raros en astronomía de rayos X, que los científicos dicen que son sagrados y tienen nombres propios.

La primera detección de rayos X de Plutón fue realizada utilizando el telescopio Chandra, junto con observaciones desde la nave espacial New Horizons durante la aproximación, en 2.014, y el sobrevuelo del planeta enano en julio de 2.015. En sus cuatro observaciones, Chandra detectó rayos X de baja energía desde el pequeño planeta debido a interacciones entre la atmósfera de Plutón y una corriente de partículas del Sol. La imagen está compuesta de una imagen óptica tomada por New Horizons durante su aproximación a Plutón, y el recuadro muestra una imagen de Plutón en rayos X captada por Chandra, obviamente a escalas que no son reales. El resultado ofrece una nueva mirada al medio ambiente que rodea al objeto más grande y mejor conocido de las regiones más lejanas del Sistema Solar. Crédito de la imagen: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/Chandra X-Ray Center
La primera detección de rayos X de Plutón fue realizada utilizando el telescopio Chandra, junto con observaciones desde la nave espacial New Horizons durante la aproximación, en 2.014, y el sobrevuelo del planeta enano en julio de 2.015. En sus cuatro observaciones, Chandra detectó rayos X de baja energía desde el pequeño planeta debido a interacciones entre la atmósfera de Plutón y una corriente de partículas del Sol. La imagen está compuesta de una imagen óptica tomada por New Horizons durante su aproximación a Plutón, y el recuadro muestra una imagen de Plutón en rayos X captada por Chandra, obviamente a escalas que no son reales. El resultado ofrece una nueva mirada al medio ambiente que rodea al objeto más grande y mejor conocido de las regiones más lejanas del Sistema Solar. Crédito de la imagen: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute/Chandra X-Ray Center

La primera detección fue en febrero de 2.014, con 10 horas de observación, y los científicos fueron cautelosos porque podían provenir de una fuente más alejada que estuviera en la línea de observación del planeta enano.

Con New Horizons más allá de Plutón se realizó la segunda observación, de 40 horas de duración, ¡y se detectaron seis fotones de rayos X! Estos se habían desplazado en el cielo de manera consistente con el desplazamiento de Plutón por el cielo, así que no eran originados por una fuente extraña.

Estas son dos versiones diferentes de una imagen adquirida por New Horizons de las capas de bruma atmosférica de Plutón, unas 16 horas después de la máxima aproximación, cuando la nave se hallaba a una distancia de 770.000 kilómetros, con un ángulo fase de 166 grados. El Norte de Plutón está en la parte superior, y el Sol ilumina el planeta enano desde arriba a la derecha. Estas imágenes tienen mayor calidad que las comprimidas digitalmente y que fueron dadas a conocer poco después del histórico sobrevuelo del 14 de julio. La imagen de la izquierda apenas fue procesada por los equipos de científicos de New Horizons, mientras que la imagen de la derecha fue procesada especialmente para revelar la gran cantidad de capas brumosas de la atmósfera de Plutón. Esta imagen permite observar detalles difusos de la superficie bajo los efectos causados por la llegada en ángulo estrecho de la luz solar atravesando la bruma arriba a la derecha del disco de Plutón. Las sutiles rayas paralelas en la bruma pueden ser rayos crepusculares: sombras proyectadas por la topografía - las cadenas montañosas plutonianas - en la niebla atmosférica, como ocurre en la Tierra con rayos que en ocasiones se ven en el cielo cuando el Sol se oculta tras las montañas. Crédito de la imagen: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute
Estas son dos versiones diferentes de una imagen adquirida por New Horizons de las capas de bruma atmosférica de Plutón, unas 16 horas después de la máxima aproximación, cuando la nave se hallaba a una distancia de 770.000 kilómetros, con un ángulo fase de 166 grados. El Norte de Plutón está en la parte superior, y el Sol ilumina el planeta enano desde arriba a la derecha. Estas imágenes tienen mayor calidad que las comprimidas digitalmente y que fueron dadas a conocer poco después del histórico sobrevuelo del 14 de julio. La imagen de la izquierda apenas fue procesada por los equipos de científicos de New Horizons, mientras que la imagen de la derecha fue procesada especialmente para revelar la gran cantidad de capas brumosas de la atmósfera de Plutón. Esta imagen permite observar detalles difusos de la superficie bajo los efectos causados por la llegada en ángulo estrecho de la luz solar atravesando la bruma arriba a la derecha del disco de Plutón. Las sutiles rayas paralelas en la bruma pueden ser rayos crepusculares: sombras proyectadas por la topografía – las cadenas montañosas plutonianas – en la niebla atmosférica, como ocurre en la Tierra con rayos que en ocasiones se ven en el cielo cuando el Sol se oculta tras las montañas. Crédito de la imagen: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

La detección realizada por Chandra es especialmente sorprendente desde que New Horizons descubrió que la atmósfera de Plutón era mucho más estable que una atmósfera parecida a la de un cometa, que se fuga velozmente, como en realidad esperaban muchos científicos antes que la nave espacial sobrevolara el planeta en julio de 2.015. De hecho, New Horizons encontró que la interacción de Plutón con el viento solar es más parecida a la de Marte más que a la de un cometa. De cualquier manera, a pesar de que Plutón está liberando suficiente gas de su atmósfera para crear los rayos X observados, los modelos simples ejecutados en los ordenadores con la intensidad del viento solar en la zona de Plutón, demuestran que no hay suficiente viento solar fluyendo directamente hacia Plutón como para crear los rayos X.

Lisse y sus colegas, entre los que se hallan los co-investigadores de SWAP, David McComas, de la Universidad de Princeton y Heather Elliott, del Instituto de Investigación del Suroeste, sugieren varias posibilidades para la emisión ampliada de rayos X desde Plutón. Estas incluyen una cola de gases más ancha y más larga que la detectada por New Horizons utilizando el instrumento SWAP. Otras posibilidades son que los campos magnéticos interplanetarios están concentrando más partículas del viento solar, que lo esperado, alrededor de Plutón. O que la baja densidad del viento solar en el exterior del Sistema Solar, a la distancia a la que se halla Plutón, puede permitir la acumulación de gas neutral con forma de rosquilla o toroidal alrededor de la órbita de Plutón.

Sin embargo, no se pueden comparar los beneficios, y la belleza de las mediciones realizadas con Chandra con las observaciones cercanas efectuadas en oportunidad del sobrevuelo cercano realizado por New Horizons. “Cuando tienes la oportunidad, una vez en la vida, de un sobrevuelo como el de New Horizons en Plutón, quieres apuntar cada pieza de cristal, cada telescopio en la superficie y en la órbita de la Tierra al objetivo. Las mediciones vienen unidas y nos dan una imagen mucho más completa que la obtenida en cualquier otro momento y en cualquier otro lugar”, señaló McNutt.

La vida (bueno, no tanto) por ocho fotones

Bien, con ocho fotones, los científicos tenían suficientes rayos X como para mirar a su espectro de energía -cómo varía la intensidad de la radiación con su longitud de onda- y hallaron que coincidía con lo que esperaban de la transferencia de electrones del viento solar.

El instrumento Alice, de New Horizons.
El instrumento Alice, de New Horizons.

Pero la celebración fue corta, porque uno de los integrantes del equipo de Rayos X de New Horizons, Randy Gladstone, preguntó si estaban lo suficientemente seguros de que había suficiente gas neutro y suficiente viento solar para generar los rayos X detectados. Esos ocho fotones detectados equivalían a alrededor de ~3×1024 fotones de rayos X por segundo liberados desde Plutón. De los resultados obtenidos durante el sobrevuelo de Plutón que realizó New Horizons, se sabe que la tasa de pérdida de gas del planeta es de unas 6×1025 moléculas por segundo, lo que provee suficientes átomos de gas neutro, pero 50 veces menor a la que se estimaba que había antes del sobrevuelo. El problema es si las mediciones del flujo del viento solar realizadas por New Horizons eran de un factor muy bajo de 40 para aportar iones de carbono, nitrógeno y oxígeno que arrancaran los electrones necesarios y emitieran rayos X. Un factor de 40 asumía que el viento solar tenía la misma composición y abundancia de iones que en las cercanías de la Tierra, y simplemente fluía hacia Plutón como un frente de onda que no era perturbado por Plutón.

Pero, en realidad, las mediciones combinadas indican que en realidad Plutón sí perturba el flujo de viento solar y provoca que lo rodee y luego se enfoque en una larga cola más allá del planeta, donde se mezcla con la fuga de los componentes de la atmósfera y genera rayos X. Y de hecho, SWAP indicó que existe una cola que se extiende más allá de Plutón, que contiene alrededor de 1024 moléculas de metano por segundo que son ionizadas, que es consistente con los rayos X detectados por Chandra. Y también estableció que la cola se extiende unas cien veces el radio del planeta, mientras que los resultados obtenidos con Chandra permitieron indicar que la longitud de la cola es 1.000 veces el radio de Plutón.

El instrumento PEPSSI, de New Horizons, encargado de medir las partículas de energía y plasmas originados por el escape de elementos de la atmósfera de Plutón, y sus lunas.
El instrumento PEPSSI, de New Horizons, encargado de medir las partículas de energía y plasmas originados por el escape de elementos de la atmósfera de Plutón, y sus lunas.

Una vez más, para que no nos aburramos -si están aquí ojalá no haya ocurrido eso- o perdamos la paciencia, la crónica sintetiza que además de SWAP, New Horizons lleva a bordo los instrumentos PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Investigation), destinado a medir el flujo, energía y dirección del viento solar en Plutón, junto a ALICE, un espectrómetro ultravioleta para determinar la tasa de gas atmosférico liberado hacia el espacio. Con ellos, las mediciones de las observaciones de Chandra permitirían establecer la tasa de producción de rayos X de Plutón. ¡Y sólo faltaba detectarlos! (¡Ups, esta parte de la historia iba antes!)

El camino por delante

Bien, New Horizons tiene la oportunidad de probar estos hallazgos y arrojar aún más luz sobre esta región alejada, a miles de millones de kilómetros de la Tierra, como parte de su extensión de misión, que fue recientemente aprobada, para escrutar el Cinturón de Kuiper y encontrarse el 1° de enero de 2.019 con otro pequeño objeto que se halla allí, 2014 MU69.

En la imagen, muy procesada, vemos a 2014 MU69, un Objeto del Cinturón de Kuiper (OCK), que sería sobrevolado por New Horizons el 1º de enero de 2.019. 2014 MU69 aparece señalado con un círculo verde, en la imagen captada por el Telescopio Espacial Hubble. Crédito de la imagen: Equipo New Horizons/Alex Parker
En la imagen, muy procesada, vemos a 2014 MU69, un Objeto del Cinturón de Kuiper (OCK), que sería sobrevolado por New Horizons el 1º de enero de 2.019. 2014 MU69 aparece señalado con un círculo verde, en la imagen captada por el Telescopio Espacial Hubble. Crédito de la imagen: Equipo New Horizons/Alex Parker

Los científicos de Chandra consideran improbable la detección de rayos X de MU69, pero sí que pueden detectarlos de otros objetos grandes y cercanos que New Horizons observará a medida que vuela a través del Cinturón de Kuiper hacia MU69.

Nuestra curiosidad, nuestra intención de descubrimiento, de ir rasgando los velos de los misterios del Universo que el pensamiento y la ciencia pueden desentrañar, van a bordo de New Horizons y del Observatorio Chandra. Uno a miles de millones de kilómetros de distancia, mientras avanza y avanza, hasta que el combustible se agote, hacia 2.030; el otro, cerca de la Tierra, para mostrarnos la variedad de brillos en rayos X de los cuerpos celestes.

Hemos comprobado que el camino se expande continuamente, y aquí estamos en él, mientras interrogamos al Universo desde este planeta, a través de enviadas robóticas que se hallan a distancias impensadas pocos años atrás. Allí está el camino, a la espera de caminantes dispuestos a la belleza, al sacrificio y al trabajo constante, creyendo en lo inesperado y lo intangible, hasta que lo comprobamos científicamente.

Este artículo es una traducción libre de la publicación: “X-ray Detection Sheds New Light on Pluto”, difundida en el sitio de la misión New Horizons de APL-JHU, y “Chandra Detects the First X-rays Coming From Our Kuiper Belt”, del sitio de Chandra.

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