Los rayos incógnita: Astro-H

En el año 2012 se consiguió un gran hito en la astronomía y la astrofísica: por primera vez se había calculado el ratio de rotación de un agujero negro supermasivo, el localizado en la galaxia NGC 1365, fijándolo en casi la velocidad de la luz. ¿Cómo se consiguió? Juntando las capacidades espectroscópicas de XMM-Newton y la sensibilidad a los rayos X duros de NuSTAR. Si no se logró antes fue porque carecíamos de la capacidad de poder observar la gama de los rayos X de alta energía empleando telescopios que usan módulos ópticos tipo Wolter. Claro, para obtener estos resultados hay que combinar a NuSTAR con otras misiones de rayos X. La pregunta, claro está, es, ¿no se podría lanzar un telescopio que combinara telescopios Wolter para rayos X blandos y duros? Si, y en pocos días será elevado.

Si habéis sido capaz de leer las dos entradas que dedicamos a la exploración de los rayos X desde el espacio, os habréis dado cuenta que, tras la NASA, las agencias japonesas han sido las que más misiones dedicadas a esta rama de la astronomía ha lanzado y operado. Desde el pequeño Hakucho hasta el más reciente y agotado Suzaku, el Japón ha diseñado y construido siete (teniendo en cuenta los perdidos CORSA y Astro-E), con capacidades crecientes. El gran salto fue ASCA, novedoso entre otras cosas por ser el primero en equipar detectores tipo CCD para uno de sus instrumentos. También importante para la ingeniería japonesa fue el estreno de una plataforma tan brillante, que fue repetida

para los Astro-E y Suzaku. Comparado con otros observatorios de rayos X, los japoneses han sido productivos, aunque silenciosos, a pesar de ir equipando sensores de vanguardia, dotándoles de capacidades no igualadas por otros observatorios. Ya antes del lanzamiento de Suzaku, un grupo de científicos e ingenieros japoneses se embarcaron en lo que denominaron el proyecto NeXT, un observatorio de rayos X entregado a la observación del universo X en sus dos gamas simultáneamente mediante módulos ópticos de incidencia oblicua. Aprobado para su desarrollo, y con el nombre provisional de Astro-H, esta misión permitiría a la comunidad científica observar un cuerpo celeste en toda la gama de rayos X obteniendo tanto imágenes como espectros de alta resolución. Basado inicialmente a partir de las tecnologías desarrolladas para un instrumento instalado en un globo aerostático, el experimento InFOCUS, se ha beneficiado de las tecnologías de fabricación desarrolladas por todo el mundo, de ahí que otras agencias espaciales, como la NASA o la ESA, se hayan lanzado a firmar acuerdos de colaboración para aprovecharse de este enorme recurso para observar el cosmos. Pero, ¿cómo es este telescopio?

JAXA ha basado su Astro-H en la plataforma estrenada en ASCA y continuada en Suzaku, aunque con reformas. La estructura emplea un núcleo central que sirve de soporte para los módulos ópticos que montará, y alrededor de la zona baja de este núcleo se ha construido una estructura octogonal que alberga todo lo necesario para funcionar. El cambio principal entre los anteriores y Astro-H es el mismo núcleo, ya que en las dos misiones previas, éste era extensible para poder encajar en la cofia del cohete asignado. Con un mayor lanzador disponible, esta característica ha sido eliminada, aunque conserva la misma forma. Sus dimensiones son de 7 x 2 x 1.9 metros, por lo que es un aparato de unas dimensiones respetables. Todos los sistemas son los habituales de las misiones japonesas, desde el ordenador (con una capacidad de memoria de 12 gigabits), comunicaciones (bandas-S y -X), control de actitud (estabilizado en sus tres ejes, empleando los sistemas habituales, como dos escáneres estelares y ruedas de reacción entre otros elementos), generación de energía (con dos paneles solares de tres secciones cada uno, proporcionando una envergadura de casi siete metros), y control termal. La carga útil a bordo de Astro-H está compuesta de cuatro aparatos. Empezamos en los sistemas de rayos X blandos, y lo primero es hablar de sus módulos ópticos. Se tratan de dos módulos tipo Wolter 1 con un diámetro externo de 45 cm. cada uno, y con un diámetro interno de 11.6. Emplea nada menos que 203 vainas concéntricas elaboradas en aluminio con grosores de 152, 229 y 305 micrones, seguidos mediante replicación en epoxy y con láminas reflectoras de oro para incrementar la capacidad de reflexión. Alrededor de cada uno hay un bafle para evitar la entrada de luz no deseada, y un escudo termal para evitar que exceda las temperaturas de diseño, de unos 20º C, todo empaquetado en una carcasa que proporciona rigidez al conjunto. Los dos telescopios de rayos X blandos (construidos en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA), denominados SXT-1 (o SXT-I) y SXT-2 (o SXT-S), sirven cada uno a un instrumento. El SXI, la Cámara de rayos X Blandos, en un sistema que emplea cuatro detectores CCD, cada uno de 1280 x 1280 pixels de área efectiva, que emplea refrigeradores mecánicos para mantener su temperatura a entre -110 y -120º C. Se encuentra a una distancia de 5.6 metros detrás del módulo óptico, y permite obtener imágenes del universo X en un rango de 0.4 a 12 keV, que podríamos considerar habitual para esta serie de instrumentos. El SXS, el Espectrómetro de rayos X Blandos, se basa directamente del sistema desarrollado para Suzaku, que se averió al poco de su lanzamiento. Emplea un conjunto de microcalorímetros de silicio con absorbentes de mercurio y telurio, y sobre ellos, una rueda de filtros de diversas posiciones para enriquecer los análisis. Sin embargo, para obtener la alta resolución buscada, emplea un sistema de criorefrigeración de cuatro etapas, combinando tanto un criostato relleno de helio líquido superfluido como criorefrigeradores de ciclo Stirling de dos etapas y tipo Joule-Thompson, hasta alcanzar temperaturas superfrías. Su longitud focal es también de 5.6 metros, realizando espectros de muy alta resolución en la gama de entre 0.3 y 12 keV. El tercer sistema es el de rayos X duros. Este sistema es muy similar al de NuSTAR, ya que equipa dos módulos ópticos y dos conjuntos de detectores. Los dos HXT (HXT-1 y HXT-2) emplean también el tipo Wolter 1, con una apertura de 45 cm. frontal y 12 cm. trasera, 20 cm. de largo, y disponiendo de 213 vainas concéntricas de aluminio con un grosor de 0,2 milímetros. En total, cada telescopio está formado por 1278 elementos, que disponen de una

superficie reflectora multicapa de platino y carbono. Como las unidades de rayos X blandos, cada uno equipa escudos termales y un bafle de luz no deseada. En cuanto a las HXI, las Cámaras de rayos X Duros, emplean cuatro detectores de tira de silicio de doble lado y uno de cadmio-telurio, rodeados por sistemas de escudos anticoincidencia formados por 9 cristales de germanato de bismuto situados por encima, por debajo, y alrededor de los sensores, acoplados a un fotodiodo de avalancha como detector de luz de escintilación para rechazar rayos cósmicos. Este conjunto necesita una larga longitud focal, pero no encaja dentro de la cofia del cohete, de manera que se ha aplicado la misma fórmula que en NuSTAR, solo que a la inversa. Mientras que en el pequeño observatorio de la NASA la sección desplegable era la que poseía los módulos ópticos, en Astro-H lo que se despliega el plano focal en el que están los detectores. Esta sección se denomina Soporte Óptico Extensible, y para ello se emplea un mástil plegable y que se extiende una vez en órbita. Este mástil está fabricado de forma muy similar al de NuSTAR, por lo que es propenso a distorsiones provocadas por los cambios de temperatura. Para mantener el sistema continuamente alineado, se le ha equipado el CAMS, Sistema de Metrología Canadiense de Astro-H, formado por un módulo que conjuga un láser y un detector y un segundo módulo formado por retroreflector montado en el Soporte Óptico, además de una serie de motores para alinear el sistema. Con el sistema HXT-HXI desplegado, dispondrá de una longitud

focal inigualada de 12 metros, superior a las de Chandra y NuSTAR, y aumentando la longitud de Astro-H en 14 metros. El sistema completo se ha diseñado para funcionar en el rango de entre 5 y 80 keV, de manera que se espera poder conjuntar las imágenes creadas con este sistema y el SXI para poder observar un cuerpo celeste en un gran rango de energías de rayos X. El cuarto y último sistema a bordo de Astro-H es el denominado SGD, Detector de rayos Gamma Blandos. Este aparato está coalineado con los telescopios de rayos X, y transporta dos unidades idénticas, cada una fijada a la base del satélite. SGD se basa en cierta medida en el sistema HXD de Suzaku. Es lo que técnicamente se denomina una cámara Compton, que emplea el principio de dispersión del mismo nombre para obtener resultados. Los detectores son similares a los de la HXI, pero más densos y complejos, empleando 32 capas de detectores de silicio (grosor, 0.6 milímetros), seguidos por 8 capas de detectores pixelados de cadmio-telurio (grosor, 0.75 milímetros), estando a su vez rodeados por dos capas de más detectores de cadmio-telurio, también pixelados, empleando como sistema anticoincidencia también cristales de germanato de bismuto conectados a fotodiodos de avalancha. Cada sistema SGD dispone de tres conjuntos de detectores con sistemas anticoincidencia individuales, y esta configuración permite observar el universo en la gama de entre 40 y 600 keV, con la capacidad de determinar la posición de un objeto con precisión y analizándolo con alta resolución energética y temporal. Una vez a plena carga, la masa de despegue será de aproximadamente 2.7 toneladas.

El lanzador es el vehículo más potente del Japón, el H-IIA. Este cohete se ha convertido en el principal de JAXA, rivalizando en potencia y prestaciones con otros como el Ariane 5. Emplea dos etapas de combustible criogénico de oxígeno e hidrógeno líquido, incrementados por aceleradores de combustible sólido. Ha lanzado un montón de satélites al espacio (más recientemente el satélite de precipitación GPM Core, en colaboración con la NASA) así como las últimas sondas espaciales japonesas, Kaguya a la Luna, Akatsuki a Venus y Hayabusa2 a un asteroide NEO. Con prestaciones de sobra, lanzará tanto a Astro-H como diversas cargas útiles secundarias el próximo 12 de febrero. La órbita final de Astro-H será baja terrestre, circular, a una altitud de 575 km. y una inclinación orbital de más o menos 31º sobre el ecuador. Después de tres meses de verificación en órbita, comenzará su misión, de al menos 18 meses de duración.

El programa científico de Astro-H está dedicado a lo más extraño que existe allí arriba: tratará de revelar la imagen completa de los cúmulos galácticos y la distribución de materia y energía en ellos, permitiendo incluso obtener conclusiones sobre la expansión galáctica observando el crecimiento de estas estructuras; observar agujeros negros supermasivos ocultos y enterrados dentro de densos discos de polvo, para averiguar cómo manejan la creación y evolución galáctica; revelar el curvado relativístico del espacio-tiempo midiendo el movimiento de la materia en las cercanías inmediatas de un agujero negro; medir las condiciones físicas que se dan en las regiones que aceleran rayos cósmicos de energías extremadamente altas, para intentar comprender qué procesos crean rayos cósmicos, si por la energía de la gravedad, por colisiones o explosiones; y calcular la distribución y masa total de la materia oscura dentro de cúmulos galácticos en función de la distancia (y edad), e investigando el papel de la energía y materia oscura en la evolución de los cúmulos. Eso sí, el programa será más amplio.

Si os han surgido algunas dudas, hay que decir que, en el caso del SXS, una vez de agote su suministro de helio líquido, eso no evitará que el sistema siga en funciones, ya que los criorefrigeradores continuarán enfriando los calorímetros para poder prolongar las operaciones del aparato. Esta estrategia ya se usó con el telescopio infrarrojo Akari, y se espera que no exista pérdida de rendimiento. Otra duda es si funcionará en conjunción con otros observatorios de rayos X, y la respuesta será sí, ya que trabajará incluso con NuSTAR para así obtener más y mejor información.

Para acabar, solo comentar una cosa: con Astro-H, el Japón volverá a ser la referencia en cuanto a astronomía de rayos X se refiere, y que cuando esté seguramente en órbita, recibirá nombre definitivo, desprendiéndose de su hasta ahora aburrida denominación. Y suerte.