Observatorio de rayos X Chandra

El Observatorio de Rayos X Chandra ( CXO ), anteriormente conocido como Instalación Avanzada de Astrofísica de Rayos X ( AXAF ), es un telescopio espacial de clase insignia lanzado a bordo del transbordador espacial Columbia durante la misión STS-93 de la NASA el 23 de julio de 1999. Chandra es sensible a fuentes de rayos X 100 veces más débiles que cualquier telescopio de rayos X anterior , gracias a la alta resolución angular de sus espejos. Dado que la atmósfera terrestre absorbe la gran mayoría de los rayos X , estos no son detectables por telescopios terrestres ; por lo tanto, se requieren telescopios espaciales para realizar estas observaciones. Chandra es un satélite terrestre en órbita de 64 horas, y su misión continúa activa a partir de 2025.Chandra es uno de los Grandes Observatorios , junto con el Telescopio Espacial Hubble , el Observatorio de Rayos Gamma Compton (1991-2000) y el Telescopio Espacial Spitzer (2003-2020). El telescopio lleva el nombre del astrofísico indio-estadounidense ganador del Premio Nobel, Subrahmanyan Chandrasekhar . ^{[ 7 ]} Su misión es similar a la de la nave espacial XMM-Newton de la ESA , también lanzada en 1999, pero los dos telescopios tienen enfoques de diseño diferentes, ya que Chandra tiene una resolución angular mucho mayor y XMM-Newton un mayor rendimiento espectroscópico .

En respuesta a la reducción de fondos de la NASA en 2024 por parte del Congreso de los Estados Unidos , Chandra se enfrenta a una posible cancelación anticipada a pesar de tener más de una década de funcionamiento por delante. Esta cancelación ha sido calificada irónicamente como un posible evento de "extinción" para la astronomía de rayos X en los Estados Unidos. ^{[ 8 ]} Un grupo de astrónomos ha organizado un proyecto de divulgación pública para intentar convencer a suficientes ciudadanos estadounidenses de que persuadan al Congreso de los Estados Unidos para que proporcione los fondos necesarios y evite la cancelación anticipada del observatorio. ^{[ 9 ]}

En 1976, Riccardo Giacconi y Harvey Tananbaum propusieron a la NASA el Observatorio de Rayos X Chandra (llamado AXAF en ese momento) . El trabajo preliminar comenzó al año siguiente en el Centro de Vuelos Espaciales Marshall (MSFC) y el Observatorio Astrofísico Smithsoniano (SAO), donde el telescopio ahora es operado para la NASA ^{[ 10 ]} en el Centro de Rayos X Chandra en el Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian . Mientras tanto, en 1978, la NASA lanzó a órbita el primer telescopio de imágenes de rayos X, Einstein (HEAO-2). El trabajo en el proyecto AXAF continuó durante las décadas de 1980 y 1990. En 1992, para reducir costos, la nave espacial fue rediseñada. Cuatro de los doce espejos planeados fueron eliminados, al igual que dos de los seis instrumentos científicos. La órbita planeada de AXAF se cambió a una elíptica, alcanzando un tercio de la distancia a la Luna en su punto más alejado. Esto eliminó la posibilidad de mejoras o reparaciones por parte del transbordador espacial , pero situó el observatorio por encima de los cinturones de radiación de la Tierra durante la mayor parte de su órbita. AXAF fue ensamblado y probado por TRW (ahora Northrop Grumman Aerospace Systems) en Redondo Beach , California .

AXAF fue renombrada Chandra como parte de un concurso organizado por la NASA en 1998, que recibió más de 6000 propuestas de todo el mundo. ^{[ 11 ]} Los ganadores del concurso, Jatila van der Veen y Tyrel Johnson (entonces profesora y estudiante de secundaria, respectivamente), sugirieron el nombre en honor al astrofísico indio-estadounidense ganador del Premio Nobel, Subrahmanyan Chandrasekhar . Es conocido por su trabajo en la determinación de la masa máxima de las estrellas enanas blancas , lo que condujo a una mayor comprensión de fenómenos astronómicos de alta energía como las estrellas de neutrones y los agujeros negros . ^{[ 7 ]} Apropiadamente, el nombre Chandra significa "luna" en sánscrito . ^{[ 12 ]}

Originalmente programado para ser lanzado en diciembre de 1998, ^{[ 11 ]} la nave espacial se retrasó varios meses, siendo finalmente lanzada el 23 de julio de 1999, a las 04:31  UTC por el transbordador espacial Columbia durante la misión STS-93 . Chandra fue desplegada por Cady Coleman ^{[ 13 ]} desde Columbia a las 11:47 UTC. El motor de la primera etapa de la Etapa Superior Inercial se encendió a las 12:48 UTC, y después de arder durante 125 segundos y separarse, la segunda etapa se encendió a las 12:51 UTC y ardió durante 117 segundos. ^{[ 14 ]} Con 22 753 kilogramos (50 162 lb) , ^{[ 1 ]} fue la carga útil más pesada jamás lanzada por el transbordador, una consecuencia del sistema de cohete propulsor de la Etapa Superior Inercial de dos etapas necesario para transportar la nave espacial a su órbita alta.    

Chandra ha estado enviando datos desde el mes posterior a su lanzamiento. Es operado por el SAO en el Centro de Rayos X Chandra en Cambridge, Massachusetts , con la asistencia del MIT y Northrop Grumman Space Technology. Los CCD de ACIS sufrieron daños por partículas durante los primeros pasos por el cinturón de radiación. Para evitar daños mayores, el instrumento ahora se retira del plano focal del telescopio durante estos pasos.

Aunque inicialmente se estimó que Chandra tendría una vida útil de 5 años, el 4 de septiembre de 2001, la NASA la extendió a 10 años "debido a los excelentes resultados del observatorio". ^{[ 15 ]} Físicamente, Chandra podría durar mucho más. Un estudio realizado en 2004 en el Centro de Rayos X de Chandra indicó que el observatorio podría durar al menos 15 años. ^{[ 16 ]} Está activo desde 2026 y el Centro de Rayos X de Chandra publicó un calendario de observaciones. ^{[ 17 ]}

En julio de 2008, el Observatorio Internacional de Rayos X , un proyecto conjunto entre la ESA , la NASA y la JAXA , fue propuesto como el próximo gran observatorio de rayos X, pero posteriormente fue cancelado. ^{[ 18 ]} Más tarde, la ESA resucitó una versión reducida del proyecto como el Telescopio Avanzado para Astrofísica de Altas Energías (ATHENA), con un lanzamiento previsto para 2028. ^{[ 19 ]}

El 10 de octubre de 2018, Chandra entró en modo seguro debido a un fallo en un giroscopio. La NASA informó que todos los instrumentos científicos estaban a salvo. ^{[ 20 ] [ 21 ]} En cuestión de días, se comprendió el error de 3 segundos en los datos de uno de los giroscopios y se hicieron planes para que Chandra volviera a funcionar con normalidad. El giroscopio que experimentó el fallo se puso en reserva y, por lo demás, funciona correctamente. ^{[ 22 ]}

En marzo de 2024, el Congreso decidió reducir la financiación de la NASA y sus misiones. Esto podría llevar al final prematuro de esta misión. ^{[ 23 ]} En junio de 2024, los senadores instaron a la NASA a reconsiderar los recortes a Chandra, lo cual fue aceptado. ^{[ 24 ]}

Los datos recopilados por Chandra han impulsado enormemente el campo de la astronomía de rayos X. A continuación, se presentan algunos ejemplos de descubrimientos respaldados por observaciones de Chandra:

• La primera imagen de luz, del remanente de supernova Cassiopeia A , les dio a los astrónomos su primer vistazo del objeto compacto en el centro del remanente, probablemente una estrella de neutrones o un agujero negro. ^{[ 25 ] [ 26 ]}
• En la Nebulosa del Cangrejo , otro remanente de supernova, Chandra mostró un anillo nunca antes visto alrededor del púlsar central y chorros que solo habían sido vistos parcialmente por telescopios anteriores. ^{[ 27 ]}
• La primera emisión de rayos X se observó desde el agujero negro supermasivo Sagitario A* , en el centro de la Vía Láctea . ^{[ 28 ]}
• Chandra confirmó que los rayos X en las estrellas de tipo O se generan a través de choques de plasma incrustados en su viento. ^{[ 29 ]}
• El telescopio Chandra descubrió mucho más gas frío de lo esperado, que se precipitaba en espiral hacia el centro de la galaxia de Andrómeda .
• En Abell 2142 , donde se están fusionando cúmulos de galaxias, se observaron por primera vez con detalle los frentes de presión .
• Las primeras imágenes en rayos X de la onda de choque de una supernova se tomaron de SN 1987A .
• Chandra mostró por primera vez la sombra de una galaxia pequeña mientras es devorada por una más grande, en una imagen de Perseo A.
• Se descubrió un nuevo tipo de agujero negro en la galaxia M82 , objetos de masa media que se consideran el eslabón perdido entre los agujeros negros de tamaño estelar y los agujeros negros supermasivos . ^{[ 30 ]}
• Las líneas de emisión de rayos X se asociaron por primera vez con un estallido de rayos gamma , Beethoven Burst GRB 991216. ^{[ 31 ]}
• Estudiantes de secundaria, utilizando datos de Chandra, descubrieron una estrella de neutrones en el remanente de supernova IC 443. ^{[ 32 ]}
• Las observaciones realizadas por Chandra y BeppoSAX sugieren que los estallidos de rayos gamma ocurren en regiones de formación estelar .
• Los datos del telescopio Chandra sugieren que RX J1856.5-3754 y 3C58 , considerados anteriormente púlsares, podrían ser objetos aún más densos: estrellas de quarks . Estos resultados siguen siendo objeto de debate.
• En el cúmulo de Perseo se observaron ondas sonoras procedentes de la actividad violenta alrededor de un agujero negro supermasivo (2003).

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  Se observó que TWA 5B, una enana marrón , orbitaba un sistema binario de estrellas similares al Sol .
• Casi todas las estrellas de la secuencia principal son emisoras de rayos X. ^{[ 33 ]}
• La sombra de rayos X de Titán se pudo observar cuando transitó por la Nebulosa del Cangrejo.
• Emisiones de rayos X de materiales que caen de un disco protoplanetario hacia una estrella. ^{[ 34 ]}
• La constante de Hubble medida es de 76,9  km/s/ Mpc utilizando el efecto Sunyaev-Zel'dovich . ^{[ 35 ]}
• En 2006, Chandra encontró pruebas contundentes de la existencia de materia oscura al observar la colisión de supercúmulos. ^{[ 36 ]}
• También en 2006, el descubrimiento de bucles, anillos y filamentos emisores de rayos X alrededor de un agujero negro supermasivo dentro de Messier 87 sugiere la presencia de ondas de presión, ondas de choque y ondas sonoras. La evolución de Messier 87 podría haberse visto afectada drásticamente. ^{[ 37 ]}
• Las observaciones del cúmulo Bala establecen límites a la sección transversal de la autointeracción de la materia oscura . ^{[ 38 ]}
• Fotografía "La Mano de Dios" de PSR B1509-58 .
• Los rayos X de Júpiter se observaron provenientes de los polos, y no del anillo auroral. ^{[ 39 ]}
• Se encontró un gran halo de gas caliente rodeando la Vía Láctea. ^{[ 40 ]}
• Se observó la galaxia enana ultracompacta extremadamente densa y luminosa , M60-UCD1 . ^{[ 41 ]}
• El 5 de enero de 2015, la NASA informó que el CXO observó un destello de rayos X 400 veces más brillante de lo habitual, un récord, proveniente de Sagitario A* , el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea . Según los astrónomos, este evento inusual pudo haber sido causado por la fragmentación de un asteroide que cayó en el agujero negro o por el entrelazamiento de las líneas del campo magnético dentro del gas que fluye hacia Sagitario A*. ^{[ 42 ]}
• En septiembre de 2016, se anunció que Chandra había detectado emisiones de rayos X de Plutón , la primera detección de rayos X de un objeto del cinturón de Kuiper . Chandra había realizado las observaciones en 2014 y 2015, brindando apoyo a la nave espacial New Horizons para su encuentro en julio de 2015. ^{[ 43 ]}
• En septiembre de 2020, según informes, Chandra pudo haber realizado una observación de un exoplaneta en la Galaxia del Remolino , que sería el primer planeta descubierto más allá de la Vía Láctea. ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]}
• En abril de 2021, la NASA anunció los hallazgos del observatorio en un tuit que decía: "Urano emite rayos X, según descubren los astrónomos". El descubrimiento tendría "implicaciones fascinantes para la comprensión de Urano" si se confirma que los rayos X se originan en el planeta y no son emitidos por el Sol. ^{[ 47 ]}

A diferencia de los telescopios ópticos , que poseen superficies parabólicas aluminizadas simples (espejos), los telescopios de rayos X generalmente utilizan un telescopio Wolter que consiste en superficies cilíndricas paraboloides e hiperboloides anidadas recubiertas de iridio u oro . Los fotones de rayos X serían absorbidos por superficies de espejo normales, por lo que se necesitan espejos con un ángulo rasante bajo para reflejarlos. Chandra utiliza cuatro pares de espejos anidados, junto con su estructura de soporte, llamada Conjunto de Espejos de Alta Resolución (HRMA); el sustrato del espejo es  de vidrio de 2 cm de espesor, con la superficie reflectante de un  recubrimiento de iridio de 33 nm, y los diámetros son 65  cm, 87  cm, 99  cm y 123  cm. ^{[ 48 ]} El sustrato grueso y el pulido particularmente cuidadoso permitieron una superficie óptica muy precisa, que es responsable de la resolución inigualable de Chandra: entre el 80 % y el 95 % de la energía de rayos X incidente se enfoca en un círculo de un segundo de arco . Sin embargo, el grosor del sustrato limita la proporción de la abertura que se llena, lo que da como resultado una zona de captación baja en comparación con XMM-Newton .

La órbita altamente elíptica de Chandra le permite observar continuamente durante hasta 55 horas de su período orbital de 64 horas . En su punto orbital más alejado de la Tierra, Chandra es uno de los satélites que orbitan la Tierra más distantes. Esta órbita lo lleva más allá de los satélites geoestacionarios y más allá del cinturón exterior de Van Allen . ^{[ 49 ]}

Con una resolución angular de 0,5 segundos de arco (2,4 μrad), Chandra posee una resolución más de 1000 veces superior a la del primer telescopio de rayos X en órbita.

CXO utiliza giroscopios mecánicos , ^{[ 50 ]} que son sensores que ayudan a determinar la dirección hacia la que apunta el telescopio. ^{[ 51 ]} Otros sistemas de navegación y orientación a bordo de CXO incluyen una cámara de aspecto, sensores de la Tierra y del Sol , y ruedas de reacción . También cuenta con dos conjuntos de propulsores, uno para el movimiento y otro para descargar el impulso. ^{[ 51 ]}

El Módulo de Instrumentos Científicos (SIM) aloja los dos instrumentos del plano focal, el Espectrómetro de Imágenes CCD Avanzado (ACIS) y la Cámara de Alta Resolución (HRC), y mueve el que sea necesario a la posición adecuada durante una observación.

ACIS consta de 10 chips CCD y proporciona imágenes e información espectral del objeto observado. Opera en el rango de energía de fotones de 0,2 a 10 keV . HRC tiene dos componentes de placa de microcanales y captura imágenes en el rango de 0,1 a 10  keV. Además, tiene una resolución temporal de 16 microsegundos . Ambos instrumentos pueden utilizarse de forma independiente o junto con una de las dos rejillas de transmisión del observatorio .

Las rejillas de transmisión, que se desplazan hacia la trayectoria óptica detrás de los espejos, proporcionan al telescopio Chandra espectroscopia de alta resolución. El espectrómetro de rejilla de transmisión de alta energía (HETGS) opera en el rango de 0,4 a 10  keV y tiene una resolución espectral de 60 a 1000. El espectrómetro de rejilla de transmisión de baja energía (LETGS) tiene un rango de 0,09 a  3 keV y una resolución de 40 a 2000.

Resumen: ^{[ 52 ]}

• Cámara de alta resolución (HRC)
• Espectrómetro de imágenes CCD avanzado (ACIS)
• Espectrómetro de rejilla de transmisión de alta energía (HETGS)
• Espectrómetro de rejilla de transmisión de baja energía (LETGS)

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  Rayos X de Plutón
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  Júpiter en luz de rayos X
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  Remanente de la supernova Tycho en luz de rayos X
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  SN 2006gy (arriba a la derecha) y su galaxia madre NGC 1260.
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  Órbita de CXO al 7 de enero de 2014
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  Núcleo M31 en luz de rayos X
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  PSR B1509-58 – rojo, verde y azul/máxima energía
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  La turbulencia puede impedir que los cúmulos de galaxias se enfríen.
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  Brillante llamarada de rayos X de Sagitario A* , agujero negro supermasivo en la Vía Láctea ^{[ 42 ]}
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  SNR 0519–69.0: restos de una estrella en explosión en la Gran Nube de Magallanes.
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  Imágenes publicadas para celebrar el Año Internacional de la Luz 2015.
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  Cúmulo de estrellas recién formadas en la Nebulosa de Orión.
• 
  GK Persei : Nova de 1901
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  Anillos de luz de rayos X procedentes de una estrella de neutrones en Circinus X-1.
• 
  Cygnus X-1 , el primer agujero negro supermasivo descubierto
• 
  Imagen del Campo Profundo Sur de Chandra, que según las estimaciones de Kimberly Arcand muestra 5000 agujeros negros.

• AGILE (satélite) , un telescopio orbital de rayos X italiano.
• Programa de Grandes Observatorios
• Lista de campos profundos
• Lista de telescopios espaciales
• Lista de telescopios espaciales de rayos X
• Observatorio de rayos X Lynx , posible sucesor
• NuSTAR
• Suzaku , un satélite hermano originado por AXAF-S (espectrómetro)
• astronomía de rayos X

• Swartz, Douglas A.; Wolk, Scott J.; Fruscione, Antonella (20 de abril de 2010). "La primera década de descubrimientos de Chandra" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 107 (16): 7127– 7134. Bibcode : 2010PNAS..107.7127S . doi : 10.1073/pnas.0914464107 . PMC 2867717. PMID 20406906 .  

• Observatorio de rayos X Chandra en NASA.gov
• Observatorio de rayos X Chandra en Harvard.edu
• Centro de Rayos X Chandra (CXC) en Harvard.edu
• Observatorio de rayos X Chandra en YouTube
• Podcast de Chandra (2010) por Astronomy Cast