Hoy os vamos a presentar a NuSTAR, el nuevo observatorio de rayos X de la NASA. Es posible que en este punto preguntéis: ¿no tiene la NASA un telescopio de rayos X? La respuesta es sí. Entonces formularíais otra pregunta: ¿acaso éste lo sustituye? La respuesta es no. ¿Y entonces por qué lanzan un segundo? Tranquilos, no desfallezcáis y seguid leyendo.
Regresamos al tema. NuSTAR es el nuevo observatorio de rayos X de la NASA, como hemos dicho, y es complementario al telescopio Chandra. ¿Por qué? Bueno, pues porque el veterano satélite de la agencia solo puede observar parte de los rayos X que emiten los objetos celestes. Chandra, al igual que XMM-Newton o Suzaku, y como anteriores vehículos centrados en este espectro (empezando por el satélite “africano” Uhuru, lanzado en diciembre de 1970), solo han podido, debido a las restricciones tecnológicas, estudiar uno de los dos tipos de rayos X que existen, los llamados de baja energía o “blandos”. Los más potentes, lanzados en 1999 y 2005, han mejorado enormemente nuestros conocimientos en esta franja, pero son incapaces de alcanzar el otro tipo. Los primeros vehículos capaces de empezar a registrar en cierta manera el otro tipo, los rayos X de alta energía, o “duros”, se han puesto en órbita en los últimos 10 años. El primero en hacerlo fue el europeo INTEGRAL, uno de los actuales observatorios de rayos Gamma, pero que, debido al enorme parecido entre los rayos Gamma blandos y los rayos X duros, comenzó a hacer escaneos del cielo en estos rangos energéticos. El segundo con posibilidad de hacerlo fue el satélite cazador de estallidos de rayos Gamma (o GRB’s) Swift. Uno de sus tres instrumentos, el BAT, es un telescopio con un gran campo de visión que es capaz de observar de una vez un 25% del cielo, con el que ha hecho un mapa básico de los objetos que emiten en los rayos X duros, mientras no buscaba estos GRB’s. El observatorio japonés Suzaku, primo hermano de Chandra y XMM-Newton, también tiene cierta capacidad de observar los rayos X duros. Todos estos satélites han estado observando esta franja de luz a muy baja resolución, por lo que se hacía necesario un observatorio exclusivo centrado en el estudio en alta resolución de estos desconocidos rayos X. Los recientes avances tecnológicos promovieron la aparición de la misión NuSTAR.
Su nombre completo es Conjunto de Telescopios Espectroscópicos Nucleares, y es un proyecto adscrito a la iniciativa de misiones Small Explorer, una de las partes del más longevo de los programas de la NASA, el Explorer, centrado en la investigación heliofísica y astrofísica, y que cuenta con satélites como RHESSI, AIM o IBEX. Esta iniciativa podría decirse que es otra parte de aquella política del Faster, Better, Cheaper, que motivó la apertura del exitoso programa Discovery. A pesar de que los presupuestos para el Small Explorer son bastante reducidos, los objetivos científicos son tremendamente amplios, generando misiones bastante avanzadas tecnológicamente. NuSTAR no es una excepción.
El satélite posee unas medidas de 1.2 x 2.2 metros, y está construido principalmente en aluminio, mediante una estructura en forma de panal de abeja para aligerar peso. Está dividida en dos secciones: el bus, que almacena los sistemas electrónicos de control, comunicaciones, generación de energía y parte del instrumento científico, y el ensamblaje óptico, que contiene las ópticas del telescopio. El diseño del satélite, construido por la empresa Orbital Sciences Corp. (fabricante de la sonda asteroidal Dawn), se basa en módulo LEOStar-2, desarrollado por la misma compañía. El subsistema de manejo de comandos y datos se estructura alrededor de tres elementos, el ordenador de a bordo, la unidad electrónica central y el microcontrolador de las electrónicas de actitud y energía, y se encarga de las operaciones generales del satélite y de enviar los resultados a casa. Comunica con Tierra a través del subsistema de comunicaciones, formado por el transmisor en banda-S y dos antenas omnidireccionales. Carece de toda propulsión, y se encuentra estabilizada en sus tres ejes, usando para su orientación una unidad de referencia inercial, un magnetómetro, cuatro escáneres estelares (basados en los aparatos ASC de la sonda Juno), varios sensores solares ordinarios y varias ruedas de reacción que manejan los movimientos para apuntar el telescopio. Para controlar la temperatura se recurre a lo habitual: mantas multicapa, placas que actúan como radiadores y calentadores eléctricos. La energía proviene de un único panel solar con cinco secciones, almacenando la energía en dos baterías de ión litio. El telescopio de NuSTAR está formado por tres elementos: el ensamblaje óptico, el plano focal con los detectores, y el mástil. Para que un observatorio de rayos X realice mediciones e imágenes de alta resolución, es necesario cambiar la estrategia. Tal y como conocemos un telescopio, los rayos X no se reflejarían en el espejo primario, sino que serían absorbidos. Así, es imposible que con los elementos tradicionales se puedan estudiar de manera precisa. Para conseguirlo, NuSTAR usa un método distinto. Dispone de espejos, si, pero en vez de tener un espejo a la espera de recibir la luz, utiliza un conjunto de espejos situados de manera paralela a la energía entrante, con el objetivo de intensificarla. Esta técnica (denominada en inglés grazing-incidende X-ray optics) fue desarrollada para Chandra, XMM-Newton y Suzaku. En Chandra, por ejemplo, dispone de dos elementos ópticos formados cada uno por dos vainas, y cada vaina dispone de cuatro espejos concéntricos con un grosor de entre 2 y 3 centímetros, además del recubrimiento reflector. Esta medida es muy efectiva para los rayos X blandos. Para los rayos X duros, se ha usado la misma aproximación, pero con una complejidad muchísimo mayor. Al igual que Chandra, NuSTAR dispone de dos elementos ópticos cilíndricos (también llamados módulos), y en total cuatro vainas, sin embargo, la diferencia es que cada una de las vainas dispone de 133
espejos concéntricos, que disponen cada uno de un grosor de 0.02 centímetros (el grosor aproximado de una uña). Para elaborar cada espejo, se ha tenido que esperar a desarrollar una técnica de fabricación de espejos ultrafinos y curvados. Así, para formar cada uno de los espejos concéntricos se han tenido que elaborar entre 12 y 24 segmentos dependiendo del espejo, cada uno con su propia cobertura reflectora (dos tipos de película reflectora, una de platino y carbono, y otra de tungsteno y silicio). En total, los módulos ópticos están formados por más de 9.000 secciones, diseñadas para enfocar e intensificar los rayos X. La segunda parte que da forma al telescopio se encuentra en el bus, y es el plano focal. Dentro de este elemento han sido colocados un conjunto de detectores sensibles a los rayos X de alta energía conectados a sensores digitales, formando un conjunto dos por dos de 64 x 64 píxeles. Para proteger estos detectores y los sensores digitales de los rayos cósmicos y los rayos X que provienen de la radiación de fondo incorpora materiales que detectan y reflejan toda energía no deseada. Así, los detectores del plano focal son capaces de registrar la energía de los rayos X duros enfocada por los módulos ópticos para transformarlo en una imagen de alta resolución. Y como hemos dicho, dispone de un tercer elemento, un mástil. Para que un observatorio de rayos X alcance la sensibilidad deseada, resulta necesario que los módulos ópticos estén separados de los detectores a una distancia muy específica: diez metros. En Chandra esto resultaba fácil porque el propio diseño del satélite incorporaba un enorme tubo vacío con el cual dirigir esa energía a los instrumentos situados en el plano focal. En una misión como NuSTAR, esto resultaba imposible, principalmente porque tenía que encajar en la punta de uno de los lanzadores más pequeños y económicos del momento. De esta manera, para (una vez en órbita) provocar esta separación, ha recibido ese mástil, desarrollado a partir de un sistema similar fabricado para la misión SRTM (misión de topografía por radar del transbordador), el último vuelo de la lanzadera espacial antes de comenzar la construcción de la ISS. Un pequeño contenedor de un metro de largo, situado en el bus del satélite, sirvió durante las primeras fases de la misión para almacenar los segmentos del mástil. Una vez en su sitio proporciona a NuSTAR la distancia focal necesaria, tardando aproximadamente 25 minutos para su completo despliegue usando un pequeño motor eléctrico. Debido a esto, además ha tenido que montar un sistema de alineamiento. Como el mástil va estar sujeto a bruscas variaciones de temperatura dependiendo de la posición orbital, éste puede sufrir pequeñas distorsiones provocadas por la temperatura. Para corregir estas pequeñas desviaciones equipa tres elementos que trabajarán al unísono para mantener al ensamblaje óptico correctamente alineado con el plano focal. El sistema de metrología láser montado en el ensamblaje óptico se compone de un motor eléctrico, dos de los cuatro escáneres estelares y dos guías láser que disparan a dos pequeños objetivos situados en el plano focal. De esta manera, usando la información de las guías láser y los dos escáneres estelares el motor manipula el ensamblaje para situarlo en la posición correcta para que pueda continuar realizando los estudios programados. Las medidas con el mástil desplegado son de 1.2 x 10.9 metros. En el momento del lanzamiento desplazaba una masa de 350 kg.
Para mantener la filosofía de la iniciativa Small Explorer, se necesitaba un lanzador muy económico. De esta manera, el nuevo observatorio fue colocado en el espacio mediante el más curioso (y económico) cohete del inventario de la NASA: el Pegasus XL. Este vehículo, también desarrollado por la empresa Orbital, es único en su tipo. Conocido de vez en cuando como el cohete alado, es un método de situar cargas en órbita baja terrestre desde el aire. Este lanzador posee unas medidas de 16.9 metros de largo, 1.3 de diámetro y una envergadura alar de 6.7 metros con su pequeña ala en forma de delta mayúscula. Unos pequeños alerones rodean la tobera de la primera fase. En total, dispone de tres fases que usan combustible sólido, y es capaz de situar en órbita terrestre hasta 453 kg. Además, para ser lanzado, la empresa Orbital desarrolló a la vez lo que se ha dado a llamar la plataforma de lanzamiento aerotransportada. De esta manera, se adquirió y modificó un avión de pasajeros trimotor Lockheed L-1011 Tristar, para que pudiera cumplir todas las tareas que una plataforma terrestre, tales como surtir de energía a los elementos del lanzador y proporcionar un enlace de datos entre el cohete y el personal de control de a bordo. Este avión, una vez quedó certificado para volar, fue rebautizado como Stargazer. Utilizando estos componentes, Orbital posee un método con el cual puede lanzar desde, virtualmente, cualquier lugar del mundo. Así, la NASA ha lanzado varios vehículos utilizando el Pegasus XL desde diversos lugares. Sin embargo, en este país, es bastante célebre. Gracias a este sistema, España se convirtió en la primera nación europea que lanzaba un satélite al espacio (el Minisat-01) desde su propio territorio continental (esto tiene cierta trampa, realmente lo hizo desde una zona al sur de la isla canaria de El Hierro).
¿Qué objetos desprenden rayos X? Los más calientes. En esencia, tiene 5 objetivos concretos: localizar agujeros negros supermasivos; encontrar remanentes de estrellas colapsadas; realizar observaciones detalladas de supernovas conocidas; observar las fuentes de rayos Gamma de alta energía; y observar rápidamente supernovas recientes a lo largo de su misión. Los rayos X son la manera principal de encontrar agujeros negros, vía los discos de acreción que les rodean, una gran nube de gas supercaliente que rota a alta velocidad, generando así los rayos X. Gracias a las capacidades de NuSTAR, se espera que sea capaz de localizar agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias. Otros objetos, los llamados fuentes de rayos X ultraluminosos, se cree que sean agujeros negros de tamaño mediano, y con este proyecto se podría averiguar la realidad de estos misteriosos objetos. En nuestra galaxia, apuntará al centro donde están agrupados numerosos cuerpos, localizando posiblemente agujeros negros no descubiertos hasta ahora. Otros astros de interés para NuSTAR son las estrellas de neutrones, cadáveres estelares que son los restos de una estrella de enormes proporciones que se convirtió en supernova. Son objetos enormemente densos (tanto, que una porción que cabe en una cucharilla de café atravesaría la Tierra de lado a lado) y calientes, y su estudio dará pistas para comprender la evolución estelar, de una manera parecida a la que nos proporcionen las enanas blancas, viejos núcleos de estrellas de dimensiones similares a nuestro Sol que expulsó las capas externas. Algunas enanas blancas, formando parte de sistemas binarios de estrellas, adquieren material de su compañera, y de forma similar a los discos de acreción, esta materia se calienta y emite rayos X. Además de observar las enanas blancas conocidas, se buscarán nuevas de este tipo.
Otros tipos distintos de estrellas de neutrones son los púlsares y los magnetares. El primer tipo son los astros que poseen la mayor velocidad de rotación de todos los cuerpos celestes (alguno puede rotar sobre sí mismo cada 715 veces por SEGUNDO) y que emiten haces de energía muy potentes que calientan los gases que la rodean. Los magnetares son los cuerpos cósmicos que poseen los campos magnéticos más potentes del universo, que emiten estallidos de energía gigantescos. NuSTAR será básico para tratar de comprender estas estrellas tan desconocidas.
También será una herramienta básica para averiguar qué sucesos provocan las supernovas, y cómo influyen en el proceso del nacimiento de las estrellas. Para ello, estudiará al detalle tanto la SN 1987A como Cassiopea A, las más recientes, potentes y cercanas, para probar las teorías que existen sobre cómo afectan al espacio que les rodea. Si durante el tiempo de misión de NuSTAR ha sucedido una supernova, el observatorio será dirigido rápidamente para tratar de comprender el por qué de la explosión, siempre y cuando esté dentro del límite de observación del telescopio.
Entre los cuerpos cósmicos y fenómenos que serán observados estarán los chorros de material que emiten los agujeros negros a casi la velocidad de la luz, estrellas eruptivas, galaxias con regiones formadoras de estrellas, lejanos grupos de galaxias y más. También mirará a casa. La fuente más cercana de rayos X es la corona solar, y se unirá a observatorios solares como RHESSI en el estudio de llamaradas, eyecciones de masa coronal y otros fenómenos que se originan en la superficie de Helios. Su estudio de nuestra estrella podría proporcionar pistas a la pregunta de por qué la corona solar (es decir, su “atmósfera”) es más caliente que la propia superficie solar. Y por supuesto, como observará en detalle por primera vez un universo desconocido, se espera que encuentre cosas hasta la fecha no detectadas.
La misión principal durará dos años, y realizará programas de observación ya elaborados, basándose en las observaciones de los telescopios existentes. Además, podrá realizar observaciones coordinadas con Chandra, XMM-Newton, Suzaku, INTEGRAL, Swift o Fermi. Su método de trabajo será el siguiente: tan sencillo como estar observando continuamente durante dos semanas el objetivo programado, para obtener resultados de una elevadísima calidad. Como todo el tiempo de uso durante estos dos años está ya programado, de momento los astrónomos de todo el mundo no podrán enviar solicitudes para usar a NuSTAR. Una vez acabe esta misión principal, el observatorio estará disponible para cualquiera que lo pida.
La contribución a la ciencia de las físicas que NuSTAR podrá realizar será tremendamente valiosa: nada menos que abrir una ventana a una región del espectro electromagnético completamente desconocida, y nos dará pistas sobre cómo funcionan muchos de los cuerpos más energéticos y los fenómenos más espectaculares del cosmos, y la manera en que influyen en el espacio que les rodea. No cabe duda que nos proporcionará nuevas maravillas para que disfrutemos con el universo.
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