Utilizó un telescopio en un cohete para observar agujeros negros

Introducción

La astronomía de rayos X es todavía muy joven. En la actualidad, el área de recepción efectiva de los telescopios es tan grande como la pantalla de un iPad y el espacio es muy amplio. para el desarrollo futuro.

Escrito por | Uno de los astrónomos. Es experto en observación y tiene una profunda base teórica. Sus campos de investigación van desde objetos celestes compactos hasta agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias, así como cúmulos de galaxias, que son las estructuras más grandes del universo. todos los campos de la astronomía de rayos X. En mayo de 2020, recibió el Premio Kavli de Astrofísica y recibió una bonificación de 1 millón de dólares. En la entrevista con el Sr. Sai, Fabián repasó su amor por la astronomía en su infancia y cómo entró en la astronomía de rayos X. Poco a poco combinó observaciones con teoría para proporcionar información sobre la formación y evolución de galaxias y cúmulos de galaxias a partir de rayos X. perspectiva. Explicación sistemática.

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En la primavera de 1957, mientras el brillante cometa Allen-Roland cruzaba el cielo nocturno, Andy Fabian, de nueve años, podía verlo en su patio trasero. Desde muy joven ya era un aficionado a la astronomía.

Cuando tenía siete años, Fabián leyó en una enciclopedia infantil: Los científicos pueden utilizar la luz emitida por las estrellas para deducir su composición, lo que le enamoró de la astronomía.

La casa de Fabian está en un pueblo de Northamptonshire, Inglaterra. Sus padres estaban ocupados atendiendo las dos tiendas de telas en casa todos los días. Casi toda la familia vivía y comía en la tienda. Fabián desarrolló el hábito de leer desde que era niño. Tiene asma y no puede ir a la escuela algunos días al mes. Cuando está en casa, insiste en leer, especialmente libros relacionados con la ciencia.

Más tarde, Fabián fue admitido en una escuela secundaria pública y fue a una escuela secundaria en otro pueblo a cinco millas de casa, donde finalmente entró en contacto con el conocimiento científico sistemático. Por la noche, Fabián se escondía en la cocina detrás de la tienda de telas y jugueteaba con su equipo electrónico favorito, primero una radio mineral, luego el tubo termoiónico y el triodo. Sus padres estaban ocupados en el negocio de las telas y no tenían ningún interés en la ciencia, pero nunca interfirieron con su hijo y le permitieron llevar a cabo sus propios experimentos.

Cuando tenía 15 años, Fabián decidió construir un sencillo telescopio reflector newtoniano basándose en el libro. Compró dos lentes de vidrio grueso con un diámetro de 1,8 metros, primero pegó una de ellas al plato giratorio con asfalto y luego apiló la otra encima, regando, esmeril, etc., hasta que la lente superior quedó pulida de arriba a abajo. fricción. Una concavidad donde la lente subyacente se pule para crear una convexidad. La lente cóncava de arriba se convierte en el componente principal del telescopio.

Al no tener dinero para comprar esmeril, Fabián escribió a la empresa productora de esmeril pidiendo algunas muestras gratis. El libro decía que el proceso de pulido tomó más de dos horas, pero resultó que lo pulió durante 20 horas completas y finalmente cubrió el espejo con una fina capa de plata.

"Seguí el libro al pie de la letra y nadie me dijo si era correcto o no", recuerda con una sonrisa. Usando este telescopio casero, Fabián vio claramente los cráteres grandes y pequeños de la luna, lo que lo emocionó mucho.

El año en que el cometa Allen-Roland se acercó a la Tierra, la Unión Soviética lanzó el primer satélite terrestre artificial del mundo. La carrera espacial entre Estados Unidos y la Unión Soviética ha comenzado oficialmente. Fabián escribió a la NASA diciendo que era un fanático del espacio y esperaba recibir algunos materiales de aprendizaje con regularidad. De esta manera, la NASA le enviaría un cartel u otras cosas cada mes. Recordó que estos materiales impulsarían su futuro desarrollo profesional.

En 1965, Fabian, de 17 años, hizo una pasantía en el Observatorio Jeremiah Horrocks en Lancashire, Inglaterra.

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A los 18 años, Fabián abandonó su ciudad natal y vino a estudiar al Departamento de Física del King's College de Londres, a orillas del Támesis.

Después de graduarse de su licenciatura, decidió unirse al Mullard Space Science Laboratory (Mullard Space Science Laboratory), una universidad afiliada al University College London, ubicada a 50 kilómetros al sur de Londres, para estudiar un doctorado en astronomía espacial. En el laboratorio de ciencia espacial más importante del mundo, finalmente seleccionó a Peter Sanford como su mentor, y la especialidad de Sanford era desarrollar equipos espaciales para detectar rayos X del universo.

Los rayos X son muy diferentes de la luz visible. A menudo corresponden a estructuras cósmicas con altas temperaturas de decenas de millones de grados (la gente no sabía en ese momento que esto se debía principalmente a la caída de materia en el negro). agujeros). Por sugerencia de su mentor, Fabián planeó estudiar la estructura del fondo cósmico de rayos X con un cohete sonda Skylark. La solicitud para este proyecto se desarrolló sorprendentemente bien y fue aprobada poco después de una Navidad.

No es difícil detectar el fondo de rayos X. Se puede medir directamente utilizando el contador proporcional que era popular en la época, pero hay que eliminar la influencia de los rayos cósmicos. Sanford había encontrado una manera de distinguirlos teóricamente. Lo que Fabián tuvo que hacer fue diseñar circuitos integrados y dispositivos electrónicos reales. Para ello, complementó sus conocimientos de electrónica y en pocos meses fabricó el primer prototipo. Durante la prueba inicial del prototipo, volvimos a encontrar problemas de interferencias de radio y fueron necesarios varios intentos para estabilizar el equipo. También fue durante esta época que pudo estudiar sistemáticamente la astronomía y la astronomía de rayos X.

Las cuerdas del paracaídas se enredaron y se rompieron durante el descenso de la carga. Al día siguiente, Fabián tomó un helicóptero y buscó los restos de la carga en el desierto. Afortunadamente, los datos ya habían sido transmitidos a tierra mediante el equipo de telemetría y no se perdieron.

En enero de 1971, el proyecto "Skylark SL1001" de Fabian se lanzó desde el sitio de lanzamiento de cohetes Woomera en Australia. El tiempo de detección efectivo de todo el proceso fue de 15 minutos. Algo salió mal en las etapas finales del experimento. Los cables del paracaídas se enredaron y la carga útil golpeó fuertemente el suelo, cayendo por todas partes. Al día siguiente, Fabián tuvo que sentarse en un helicóptero y buscar los restos de la carga en el desierto y el calor abrasador de Woomera hasta que las turbulencias provocadas por la fuerte convección le provocaron náuseas. No se recuperaron todos los fragmentos, pero afortunadamente los principales datos de detección fueron leídos a tiempo por el equipo de telemetría.

En enero de 1971, el cohete sonda "Skylark SL1001" fue lanzado con éxito desde la base de lanzamiento de cohetes Woomera en el sur de Australia. Llevaba instrumentos científicos desarrollados por Fabian para detectar la estructura del fondo cósmico de rayos X.

Fabian regresó al laboratorio para analizar los datos de detección y publicó su primer artículo académico en Nature Physical Sciences. En el artículo titulado "Observaciones de cohetes del fondo cósmico de rayos X", Fabian y Sanford creen que el fondo cósmico de rayos X es muy suave, lo que indica que hay al menos millones de fuentes de rayos X en todo el cielo. Luego diseñaron otro experimento con un cohete sonda y lo lanzaron con éxito en Italia, confirmando y ampliando esta conclusión.

En 1972, Fabian aprobó la defensa de su graduación y planeó unirse al equipo de Riccardo Giacconi, un pionero en la investigación de rayos X, en los Estados Unidos.

Giacconi era ingeniero en la American Scientific and Engineering Corporation y ya en 1962 descubrió por primera vez con un cohete sonda la fuente de los rayos X cósmicos: el Scorpio X-1. Por esta razón, fue conocido como el padre de la astronomía de los rayos X y ganador del Premio Nobel de Física en 2002. Desafortunadamente, Fabián no pudo ir a los Estados Unidos por motivos de visa. No fue hasta el año siguiente que Fabián se enteró de que la NASA había cancelado el proyecto correspondiente y que el puesto ya no existía.

Unos años más tarde, aunque la NASA decidió retomar el proyecto original, Fabian estaba decidido a quedarse en el Reino Unido. Encontró al astrofísico Martin Rees, a quien había admirado durante mucho tiempo, como becario postdoctoral, y siguió a Rees al Instituto de Astronomía de la Universidad de Cambridge. En Cambridge, Fabian conoció por primera vez la investigación de agujeros negros relacionada con observaciones de rayos X, y su carrera de investigación científica abrió un nuevo capítulo. Permaneció en el Instituto de Astronomía de Cambridge durante más de treinta años. En 1982, fue nombrado profesor de investigación y sus intereses de investigación se desplazaron hacia el estudio de los agujeros negros, los núcleos galácticos activos y los cúmulos de galaxias relacionados con las observaciones de rayos X.

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Los astrónomos generalmente creen que hay uno o varios agujeros negros supermasivos en el centro de todas las galaxias (incluida la Vía Láctea). Estos agujeros negros tienen entre un millón y decenas de miles de millones de masas solares. Su enorme atracción gravitacional puede controlar el gas circundante y formar una delgada órbita en espiral, los llamados discos de acreción. A finales de los años 1980, Fabian predijo que las líneas de hierro en el espectro de rayos X del disco de acreción del agujero negro se verían afectadas por la fuerte gravedad de la relatividad general y aparecerían más anchas, y sus frecuencias también serían más bajas. Unos años más tarde, observó este fenómeno en el centro de varias galaxias brillantes utilizando el Satélite Avanzado de Cosmología y Astrofísica (ASCA) de Japón y Estados Unidos. También descubrió que hay dos mecanismos diferentes de radiación de rayos X ocultos en él: uno es producido por partículas en el disco de acreción que chocan entre sí y liberan energía, y el otro es causado por electrones calientes cerca del disco positivo que rebotan. en el universo Y producido. Al medir el pequeño retraso entre estas dos emisiones, el equipo de Fabian calculó la velocidad de giro del propio agujero negro. Este es también el método más utilizado hasta ahora para medir el giro de los agujeros negros supermasivos.

Predecir y confirmar cómo se forman los rayos X alrededor de los agujeros negros en los centros de las galaxias y desarrollar así un potente método para medir el giro de los agujeros negros, fue la contribución de Fabián al floreciente astronomía de rayos X. Uno de los aportes importantes realizados. Con estas herramientas, él y sus colaboradores también combinaron una gran cantidad de datos de observación con teoría para revelar el impacto de los agujeros negros supermasivos en el espacio y el tiempo circundantes, así como el papel central que estos agujeros negros desempeñan en la formación y evolución de las galaxias. .

En los primeros días de la investigación de los agujeros negros, los agujeros negros supermasivos se consideraban una decoración y poco tenían que ver con la galaxia en la que residen. A finales de los años 90, los astrónomos descubrieron que la masa de estos agujeros negros está estrechamente relacionada con la masa de la galaxia: cuantas más estrellas contiene una galaxia, mayor es la masa del agujero negro central. A partir de esto, pensaron que estos agujeros negros pueden ser en realidad el "motor central" de la galaxia donde se encuentran, liderando la evolución de la galaxia. La investigación de Fabián sobre la escala de los cúmulos de galaxias proporciona pruebas sólidas de esta conjetura.

En julio de 1999, Fabián estaba a punto de presenciar el lanzamiento de la última herramienta en astronomía de rayos X, el Observatorio Chandra, en Cabo Cañaveral.

Analizando las imágenes de rayos X del cúmulo de galaxias Perseo tomadas por el satélite Chandra, Fabian cree que estos agujeros negros supermasivos probablemente escapen al espacio fuera de la galaxia a través de la interacción entre chorros y discos de acreción. La transferencia de energía aumenta la temperatura del gas entre galaxias e impide que se acumulen para formar nuevas estrellas, inhibiendo así el crecimiento de las galaxias.

"Estas fuentes de rayos X y procesos de radiación a diferentes escalas no están aislados, sino que están acoplados entre sí a través de relaciones energéticas. Este ha sido el foco de mi investigación durante los últimos treinta años." p>

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Hace más de diez años, Fabián fue invitado a dar conferencias en una escuela de verano en China. Se tomó el tiempo para visitar a los guerreros y caballos de terracota en Xi'an, a los que admiraba desde hacía mucho tiempo, y también dio una conferencia sobre la observación de agujeros negros en una universidad local. La sala de conferencias de la Universidad de Nottingham estaba llena de estudiantes, e incluso los pasillos estaban llenos de gente. Fabián quedó profundamente conmovido por el entusiasmo de la audiencia. Después de la conferencia, los estudiantes se reunieron a su alrededor y le preguntaron cómo podían aprender sobre los agujeros negros. "Puedes preguntarles a los profesores de tu escuela", sugirió Fabián. Pero más tarde le dijeron que, como era una "universidad aplicada", la escuela no ofrecía ningún curso de astronomía. Fabián se sorprendió. "China tiene un enorme potencial en la educación astronómica."

Fabián cree que la astronomía de rayos X es un buen avance para el desarrollo de la astronomía china. China tiene cohetes de alto empuje y puede lanzar su propia estación espacial. También puede lanzar telescopios astronómicos de rayos X a gran escala. Ya sabes, la falta de capacidades de lanzamiento es un cuello de botella para muchos países. Además, la astronomía de rayos X es todavía muy joven. El área de recepción actual de los telescopios es tan grande como la pantalla de un iPad y hay un amplio margen para el desarrollo futuro.

“El eXTP (misión mejorada de polarimetría y sincronización de rayos X, observatorio espacial de polarización y sincronización mejorada de rayos X - nota del autor) que está desarrollando China será un paso importante en el camino del desarrollo de China, pero en nosotros Seguramente podremos construir telescopios aún más grandes después de eXTP. Basta pensar en el tamaño de los telescopios ópticos y radiotelescopios existentes.

Para lograr resultados comparables a los de las bandas óptica y de radio, se deben utilizar telescopios de mayor apertura en la banda de rayos X. Tenemos todas las razones para creer que la astronomía de rayos X de China seguirá el ritmo de Europa y Estados Unidos dentro de veinte o treinta años. "

Fabián tiene grandes esperanzas en el telescopio astronómico de rayos X de próxima generación "ATHENA" (Telescopio avanzado para astrofísica de alta energía) que está desarrollando la ESA. Athena superará a Chandra y El telescopio XMM-Newton ha al menos diez veces las capacidades espectrales y de imágenes, observando las cálidas y violentas profundidades del universo, cartografiando la estructura de los gases calientes y buscando agujeros negros supermasivos, lo que proporciona más evidencia para que Fabián, de 72 años, comprenda cómo afectan los agujeros negros. la formación y evolución del universo Dijo: "Está previsto que Athena se lance en 2031 y espero que haga descubrimientos importantes, ¡si puedo vivir hasta entonces! ”

Referencias:

1. Andrew Fabian (2020 Autobiografías de Andrew Fabian, recuperado el 30 de julio de 2020: http://kavliprize.org/sites/default/ files). /KP2020astro_fabian_autobiography.pdf

2. Edwin Cartlidge (2020). Notas explicativas del Premio de Astrofísica 2020: los agujeros negros como motores galácticos, consultado el 30 de julio de 2020: http://kavliprize.org/sites/default/ files/KP2020astro_notes.pdf

Nota: Todas las imágenes de este artículo son proporcionadas por los entrevistados