Representación artística del IXPE en órbita terrestre. Créditos: NASA

El Explorador de polarimetría de imágenes de rayos X (IXPE) utilizará el estado de polarización de la luz de fuentes astronómicas para mejorar nuestra comprensión del universo.

Su lanzamiento se ha fijado para el 9 de diciembre de 2021 y se ubicará en una órbita circular a 540 km de altura con una inclinación de 0°. Durante la misión de dos años del IXPE, se estudiarán objetivos como núcleos galácticos activos (AGN), microcuásares, púlsares y nebulosas de viento púlsar, magnetares, binarios de rayos X en acumulación, remanentes de supernovas y el centro galáctico.

La NASA anunció la selección de IXPE el 3 de enero de 2017, con estas palabras del Dr. Paul Hertz, Director de la División de Astrofísica de la Dirección de Misiones Científicas: «La NASA tiene una gran historia en el lanzamiento de observatorios en el Programa de Exploradores de Astrofísica con nuevos y únicos capacidades. IXPE abrirá una nueva ventana en el universo para que los astrónomos puedan mirar a través de ella. Hoy, solo podemos adivinar lo que encontraremos «.

El coste de IXPE es de 188 millones de Dólares, lo que incluye el coste del vehículo de lanzamiento y las operaciones y el análisis de datos después del lanzamiento. El investigador principal es el Dr. Martin Weisskopf de NASA / Marshall Space Flight Center (MSFC) en Huntsville, AL. Ball Aerospace, Broomfield Colorado, proporciona la nave espacial y los servicios de integración de misiones. Los detectores de polarización de rayos X han sido proporcionados por la Agencia Espacial Italiana, Agenzia Spaziale Italiana (ASI). El Dr. Brian Ramsey lideró el esfuerzo para producir espejos de rayos X de incidencia rasante en NASA / MSFC.

Los objetivos técnicos y científicos incluyen:

  • Mejorar la sensibilidad de polarización en dos órdenes de magnitud sobre el polarímetro de rayos X a bordo del Observatorio Solar Orbital OSO-8
  • Proporcionar mediciones espectrales, espaciales y temporales simultáneas.
  • Determinar la geometría y el mecanismo de emisión de los núcleos galácticos activos y microcuásares.
  • Encontrar la configuración del campo magnético en magnetares y determinar la magnitud del campo.
  • Encontrar el mecanismo para la producción de rayos X en los púlsares (tanto aislados como en acumulación) y la geometría.
  • Determinar cómo se aceleran las partículas en las Nebulosas de Viento Pulsar.
Cassiopeia A (Cas A), un remanente de supernova, es uno de los objetos que estudiará la misión IXPE de la NASA. Créditos: NASA / CXC / SAO

¿Cómo se polariza la luz?

La polarización de la luz tiene que ver con la dirección en la que vibra el campo electromagnético. Usamos gafas de sol polarizadas para reducir la intensidad de la luz solar que se polariza cuando se refleja en superficies, por ejemplo, la superficie de un automóvil. El campo electromagnético que forma la luz vibra principalmente en una dirección y las gafas de sol están diseñadas para filtrar ese tipo de luz. Si te quitas las gafas de sol, puedes girarlas hacia un lado y la intensidad de la luz aumentará, gíralas hacia el otro y la intensidad de la luz disminuirá.

Usando el ejemplo de la luz dispersa del automóvil, mueve el automóvil muy lejos para que se vea solo como un punto brillante. ¿Es posible saber si el punto proviene de la luz que sale del automóvil o de otra luz muy brillante que se ve en la distancia? Las gafas de sol polarizadas nos darán la respuesta. Nuevamente, si giramos las gafas y la intensidad varía, sabremos que la luz proviene del automóvil, pero si la luz no varía es probable que el punto brillante provenga de una otra fuente que no está polarizada.

Polarización de rayos X

Curiosamente, los rayos X también se pueden polarizar por dispersión. A medida que la luz de rayos X atraviesa un material, la parte eléctrica de la onda electromagnética hace que los electrones emitan un fotón, dando la apariencia de que el fotón original ha cambiado de dirección o se ha dispersado. Este nuevo fotón estará polarizado perpendicularmente al plano formado por el fotón original y el disperso.

¿Cómo podemos poner en práctica este conocimiento esotérico? Hay nubes cerca del centro galáctico que son brillantes en rayos X, pero los científicos no comprenden totalmente por qué estas nubes son brillantes en este momento. Una teoría es que las nubes dispersan los rayos X del centro galáctico. Debido a la velocidad finita de la luz, la implicación es que el Centro Galáctico era mucho más brillante en el pasado. Determinar si estas nubes están polarizadas con una dirección particular confirmará o refutará esta teoría.

Esta imagen del Observatorio de rayos X Chandra, muestra un chorro que emana del agujero negro supermasivo central de Centaurus A. Los colores en esta imagen representan la energía de los rayos X detectados, con rojo para bajo, verde para medio y azul que representan rayos X de alta energía. Los objetos astrofísicos como éste, son buenos candidatos para observaciones de polarización que nos darán información sobre el campo magnético del objeto y su configuración. Créditos: Observatorio de rayos X Chandra.

Otra forma en que se pueden polarizar los rayos X es cuando las trayectorias de los electrones que se mueven cerca de la velocidad de la luz (electrones relativistas) son dobladas por un campo magnético. Los electrones se mueven en espiral en el campo, emitiendo fotones en el proceso; el campo electromagnético de estos fotones está polarizado y vibra en una dirección. Este fenómeno se llama radiación sincrotrón. Para la estrella más cercana, el Sol, la polarización de la luz visible se puede medir con relativa facilidad, proporcionando información detallada sobre el campo magnético. Para los objetos más lejanos, los detalles no son tan fáciles, pero si un objeto es conocido por un campo magnético, por ejemplo, un púlsar, la polarización puede decirnos en qué dirección apunta el campo magnético, porque la polarización lineal es perpendicular al campo magnético ya que los electrones se aceleran perpendicularmente al campo magnético. Pero a medida que el púlsar gira, la dirección del campo magnético cambiará. Dado que hay más de un modelo de cómo los rayos X son producidos por este fenómeno y, por lo tanto, más de una predicción de cómo cambiará la polarización, los científicos necesitan mediciones de polarización reales para determinar qué modelo es el correcto.

¿Cómo se detecta la luz de rayos X polarizada?

IXPE tendrá tres telescopios de rayos X idénticos, con detectores de polarización en cada foco. Los detectores, llamados detectores de píxeles de gas (GPD), se basan en contadores proporcionales. Los rayos X polarizados que interactúan con un medio gaseoso crean fotoelectones que se emiten preferentemente en la dirección de polarización. Las trayectorias de los fotoelectrones marcan el camino del fotoelectrón desde la posición de la interacción inicial de rayos X hasta su punto de parada. El análisis de la distribución de las direcciones iniciales de las trayectorias da el grado de polarización y el ángulo de posición del rayo X incidente.

schematic of IXPE detector
Créditos de la imagen: NASA / IXPE

Los beneficios de las imágenes

IXPE puede obtener imágenes polarimétricas de las fuentes de rayos X extendidas más brillantes. Los ejemplos incluyen un chorro de núcleo galáctico activo (AGN), nebulosas de viento pulsante (PWNe) y restos de supernova tipo caparazón (SNR). Los mapas de polarización de estas fuentes mostrarán la estructura del campo magnético de las regiones emisoras de rayos X, que pueden ser diferentes de las regiones emisoras de radio o de la parte visible del espectro. La generación de imágenes también produce una medición más sensible de una fuente puntual incrustada en una fuente extendida que un sistema sin imágenes.

Créditos de la imagen: NASA / IXPE

Artículo basado en la información pública disponible en Ingles proporcionada por la NASA en la web de IXPE
Créditos: NASA

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