Los físicos han utilizado láseres de alta potencia para recrear el espectro de rayos-X que emana de algunos agujeros negros y estrellas de neutrones. Las conclusiones surgidas del experimento parecen en conflicto con interpretaciones anteriores de datos astronómicos, lo que sugiere que quizás tengamos que repensar nuestra visión de las estructuras alrededor de los agujeros negros y estrellas de neutrones
Cuando un agujero negro o una estrella de neutrones se tragan la materia procedente de una estrella compañera, se producen grandes cantidades de rayos-X. La materia que cae crea un anillo conocido como disco de acreción. Cuando esta materia va cayendo en espiral hacia el agujero negro o la estrella de neutrones, la energía gravitatoria se convierte en energía cinética y calor. Una intensa radiación es liberada hacia el exterior en forma de fotones e ioniza el material cercano al límite exterior del disco de acreción, lo que crea un plasma emisor de rayos-X.
Interpretar el espectro de rayos-X este plasma es una clave que ayuda a comprender la física de estos sistemas, debido a que es imposible que los astrónomos puedan medir directamente la temperatura, densidad y presión. También se ha comprobado que es muy difícil recrear este plasma “foto-ionizado” en la Tierra debido a que requiere una fuente de radiación extremadamente fuerte.
Pero ahora, investigadores de Japón, Corea y China están ayudando a solucionar esta necesidad estudiando el espectro de unos plasmas que se crean en el laboratorio. Estos espectros son muy similares a los producidos por Cygnus X-3, un agujero negro y una estrella acompañante que tiene iones de silicio altamente ionizados en su superficie. También se ha registrado en Vela X-1 un espectro similar de rayos-X, un sistema binario de estrella y estrella de neutrones.
Aumentando la potencia
Los investigadores produjero el espectro de rayos-X en el sistema de láser GEKKO-XII, situado en la Universidad de Osaka en Japón. El sistema combina un láser de 10 TW capaz de generar pulsos en el rango de nanosegundos uniendo haces de 12 láseres con un láser de 10PW que puede generar haces de 4 picosegundos.
“Usamos haces de láser de 12 nanosegundos con longitud de onda, energía y duración del pulso de 0,53 µm, 4 kJ en total y 1,2 ns [respectivamente]“, explicó Shinsuke Fujioka de la Universidad de Osaka, quien propuso y organizó el experimento.
Los haces se dispararon contra una diminuta cápsula de plástico, provocando una implosión. “Mientras se reducía, se formaba un caliente y denso núcleo de plasma dentro de la cápsula”, dijo Fujioka. Entonces la radiación producida fotoionizó una muestra de gas de silicio frío.
Similar, pero diferente
Fujioka dice que la forma del espectro de rayos-X es bastante similar al registrado por los astrónomos. No obstante, difieren las interpretaciones sobre el origen de las líneas características de emisión.
Los astrofísicos afirman que un pico de rayos-X en 1,84 keV se debe a una transición prohibida en los iones de silicio. Pero Fujioka dice que los cálculos que hizo su equipo —considerando mediciones experimentales de la temperatura y densidad del plasma— indican que el pico está asociado con una transición de resonancia distinta de los iones de silicio.
No obstante, los investigadores admiten que no pueden proporcionar una explicación definitiva del origen de este pico, debido a que el flujo de radiación producido en el laboratorio dura una fracción minúscula de segundo, mientras que la que produce un objeto astrofísico compacto es continua.
El trabajo se informa en Nature Physics. En un trabajo asociado, Paul Drake, de la Universidad de Michigan, dice que la técnica tiene “un gran potencial de desarrollos posteriores”, ya que permite variar la energía de la fuente de fotones en un amplio rango, además de permitir un gran control sobre el material fotoionizado. Sin embargo, Drake advierte que se debe hacer un trabajo mayor para caracterizar las propiedades físicas de los plasmas resultantes.
Fujioka dice que el equipo puede ahora poner su atención en investigaciones sobre la absorción de los intensos haces de rayos-X. Es común la idea de que la proporción de absorción de rayos-X en los materiales es dependiente de la intensidad del rayo, pero ellos sospechan que un plasma se puede volver transparente con haces de rayos-X increíblemente intensos. Si se da este caso, modificaría nuestro conocimiento sobre cómo se comportan los plasmas en las supernovas.
Fuente: Physics World. Aportado por Eduardo J. Carletti
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