Instrumentos Científicos

Observatorio de Rayos-X Chandra
Observatorio de Rayos-X Chandra

El Observatorio de Rayos-X Chandra combina un conjunto de espejos con cuatro instrumentos científicos para sondear y capturar los rayos-X desde sus fuentes astronómicas. Los rayos-X entrantes son enfocados por los espejos en un punto minúsculo (de un tamaño menor a la mitad de ancho de un pelo humano) sobre el plano focal, a una distancia aproximada de treinta pies (9 metros) de distancia. Los instrumentos científicos en el plano focal, ACIS y HRC, trabajan para capturar las nítidas imágenes formadas por los espejos y para proveer información sobre los rayos-X entrantes: su número, posición, energía y tiempo de llegada.

ACIS
ACIS

Dos instrumentos científicos adicionales proporcionan información detallada sobre la energía de los rayos-X: los espectrómetros LETG y HETG. Estos instrumentos están constituidos por arreglos en forma de rejilla que pueden ser colocados en el camino de los rayos-X, justo detrás de los espejos, desde donde redirigen (difractan) los rayos-X según su energía. La posición de los rayos-X es medida con los instrumentos HRC o ACIS, para poder deteminar la energía exacta de los rayos. Los instrumentos científicos poseen capacidades complementarias para registrar y analizar las imágenes de rayos-X de cuerpos celestiales y para sondear sus condiciones físicas con una exactitud sin precedentes.

Cámara de Alta Resolución (HRC)

Ilustración del HRC
Ilustración del HRC

La Cámara de Alta Resolución (HRC) es uno de los dos instrumentos utilizados en el foco del Chandra, donde detecta los rayos-X reflejados desde un montaje de ocho espejos. La capacidad única del HRC proviene de su gran habilidad para generar imágenes a partir de la energía enfocada por los espejos. Cuando es usado con los espejos del Chandra, el HRC puede crear imágenes que revelan detalles tan pequeños como medio segundo de arco. Esto es equivalente a la habilidad para leer un periódico a una distancia de media milla.

HRC
HRC

Los componentes principales del HRC son dos Láminas Micro-Acanaladas (MCP). Cada una consiste en un cuadrado de 10 cm (4 pulgadas) de lado, constituido por un grupo de 69 millones de pequeñísimos tubos de cristal de óxido de plomo de aproximadamente 10 micrómetros de diámetro (1/8 del espesor de un cabello humano) y 1,2 milímetros (1/20 de pulgada) de longitud. Los tubos poseen un recubrimiento especial que causa que sus electrones sean liberados cuando los tubos son golpeados por los rayos-X. Estos electrones son acelerados por el tubo gracias a un alto voltaje, liberando más electrones mientras rebotan con las paredes del tubo. En el momento en que salen del extremo del tubo, ya se ha creado una nube de treinta millones de electrones. Una rejilla de alambres cruzados detecta esta señal electrónica y permite que la posición del rayo-X original sea determinada con alta precisión. Con esta información los astrónomos pueden construir un mapa detallado de una fuente cósmica de rayos-X. El HRC es especialmente útil para obtener imágenes de materia caliente en los residuos de estrellas desintegradas en una explosión, y en galaxias y cúmulos galácticos muy lejanos, y para identificar fuentes muy débiles.

Espectrómetro CCD Avanzado para Obtención de Imágenes (ACIS)

Ilustración del ACIS
Ilustración del ACIS


Esquema del ACIS
Esquema del ACIS

El espectrómetro CCD Avanzado para Obtención de Imágenes (ACIS) es uno de los dos instrumentos localizados en el plano focal. Como su nombre lo sugiere, este instrumento es un arreglo de dispositivos acoplados de carga (charged coupled devices, CCD's), que son versiones sofisticadas de los rudimentarios CCD's usados en camcorders. Este instrumento es especialmente útil porque puede generar imágenes de los rayos-X, y al mismo tiempo medir la energía de cada rayo-X entrante. Así, los científicos pueden crear fotografías de objetos usando solamente los rayos-X producidos por un elemento químico simple, y comparar, por ejemplo, la apariencia de los residuos de una supernova en la luz producida por iones de oxígeno con la producida por iones de hierro o neon. Es el instrumento indicado para la opción de estudiar variaciones de temperatura a través de fuentes de rayos-X tales como nubes extensas de gas caliente en el espacio intergaláctico, o variaciones químicas a través de las nubes dejadas por explosiones de supernovas.

Espectrómetros de Alta Resolución - HETGS y LETGS

Esquema del HETG
Esquema del HETG

Hay dos instrumentos a bordo del Chandra dedicados a la espectroscopia de alta resolución: El Espectrómetro de Rejilla para Transmisión de Alta Energía (HETGS) y el Espectrómetro de Rejilla para Transmisión de Baja Energía (LETGS). Cada espectrómetro es activado haciendo pivotear un montaje con el instrumento en una determinada posición detrás de los espejos. El montaje está compuesto por cientos de rejillas de oro: cuando son colocadas detrás de los espejos, las rejillas interceptan los rayos-X reflejados desde los espejos.

Estas rejillas difractan los rayos-X interceptados, cambiando sus direcciones en cantidades que dependen sensiblemente de la energía de los rayos-X, del mismo modo en que un prisma separa la luz visible en los colores que la componen. Una de las cámaras en el plano focal, HCR o ACIS, detecta la localización de los rayos difractados, permitiendo una determinación precisa de su energía. (Una rejilla puede difractar los rayos porque tiene un patrón de espaciado regular. Por ejemplo, un CD de música actúa como un tipo de rejilla de difracción: los surcos que cubren su superficie difractan; cuando la luz llega hasta el lado brillante del CD se puede observar un efecto de arco iris. Al inclinar el CD en distintos ángulos pueden verse distintos colores.)

Rejillas de Transmisión
Rejillas de Transmisión

Las rejillas explotan al máximo el gran poder de enfoque del Chandra para producir espectroscopías de rayos-X de alta resolución. Puesto que los espectrómetros de rejilla pueden medir energía con una exactitud de hasta una parte en mil, son usados en el estudio de detalladas regiones del espectro, distinguiendo líneas de rayos-X individuales. Esto permite que la temperatura, ionización y composición química sean exploradas.

LETG
LETG

La rejilla del LETG es una rejilla de oro hecha de alambre o barras finas con un espaciamiento regular, o período, de 1µm. Los alambres de oro son sostenidos por dos diferentes estructuras de soporte, una grilla lineal con 25,4 µm de espaciamiento y una malla triangular con 2mm de espaciamiento. Las rejillas están montadas sobre una estructura en forma de toroide emparejada a los espejos del Chandra. Las rejillas del LETG han sido diseñadas para cubrir un rango de energía que va desde 0,08 a 2 KeV (donde eV significa electrón-volt). Aunque su mejor desempeño se alcanza con los rayos-X, también su difracción puede ser considerada con la luz visible, lo cual se ilustra de maravillas en la imagen de la derecha.

Corte Esquemático de las Rejillas
Corte Esquemático de las Rejillas

Las rejillas del HETG tienen un período mucho más fino, 0,2 µm o 2000Å para las rejillas de alta energía, y 0.4µm o 4000Å para las rejillas de energía mediana. Con el objeto de poder distinguir entre los rayos difractados por las dos rejillas, las mismas son orientadas en ángulos ligeramente distintos para difractar los rayos en un patrón en forma de "X" en el plano focal. Como el tamaño de las barras de oro de las rejillas es más pequeño que la longitud de onda de la luz visible, técnicas de fabricación especial son necesarias para su manufactura. Las rejillas toman ventaja del hecho de que las barras de oro son parcialmente transparentes para los rayos-X, de tal modo que la difracción se torna más eficiente, y una mayor cantidad de rayos-X son capturados en el espectro de alta resolución. Las rejillas del HETG han sido diseñadas para cubrir un rango de energía que va desde 0,4 a 10 keV.

Operaciones

SIM
SIM

Los instrumentos en el plano focal son montados en el Módulo de Instrumentos Científicos (Science Instrument Module, SIM). El SIM contiene mecanismos para colocar o retirar los instrumentos en el plano focal, aislación para el control termal, y electrónica para controlar la operación de los instrumentos científicos a través del sistema de comunicaciones, control y gerencia de datos de la nave espacial.

Los instrumentos científicos son controlados por comandos transmitidos desde el Centro de Control de Operaciones en Cambridge, Massachusetts. Una secuencia proyectada de observaciones es transmitida al Chandra y almacenada en la computadora de a bordo para su ejecución posterior.

Los datos colectados por el Chandra son almacenados en un registrador para transmitirlos a la Tierra posteriormente. Estos datos son enviados a Tierra cada ocho horas, durante los contactos programados con la Red del Espacio Profundo. Luego de esto, los datos son enviados al Laboratorio de Propulsión a Chorro y de ahí al Control de Operaciones en el Centro de Rayos-X Chandra (CXC) en Cambridge, para el procesamiento y análisis por parte de los científicos.