Utilizó un telescopio en un cohete para observar agujeros negros

Introducción

La astronomía de rayos X es todavía muy joven. El área de recepción efectiva actual de los telescopios es tan grande como la pantalla de un iPad, por lo que todavía hay mucho espacio. para el desarrollo en el futuro.

Autor uno. Dominado en observación y teoría, ha contribuido en casi todas las áreas de la astronomía de rayos X, desde objetos compactos hasta agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias y los cúmulos de galaxias más grandes del universo. En mayo de 2020 ganó el Premio Kavli de Astrofísica, con una bonificación de 1 millón de dólares. En la entrevista con Sai, Fabián recordó su amor infantil por la astronomía y cómo ingresó al campo de la astronomía de rayos X y gradualmente combinó las observaciones con la teoría para analizar galaxias y cúmulos de galaxias desde la perspectiva de la formación y la evolución de los rayos X. explicaciones sistemáticas.

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En la primavera de 1957, Andy Fabian, de 9 años, vio el brillante cometa Aaron Rowland en su patio trasero. Quedó hipnotizado por la vista del cielo nocturno. Desde muy joven se convirtió en un entusiasta de la astronomía.

A los 7 años, Fabián leyó en una enciclopedia infantil que los científicos podían utilizar la luz emitida por las estrellas para determinar su composición, e inmediatamente se sintió atraído por la astronomía.

La familia de Fabián vive en un pueblo de Northamptonshire, Inglaterra. Sus padres estaban ocupados dirigiendo las dos tiendas de telas de la familia, donde vivía y comía toda la familia, y Fabián desarrolló el hábito de la lectura desde una edad temprana.

Posteriormente, Fabián asistió a la escuela secundaria pública y a la escuela secundaria en otro pueblo a cinco millas de casa, donde finalmente comenzó a estudiar ciencias de manera sistemática. Por la noche, Fabián se escondía en la cocina detrás de la tienda de telas, jugando con su equipo electrónico favorito, primero una radio mineral, luego los tubos termoiónicos y los triodos. Sus padres estaban ocupados en el negocio de las telas y no estaban interesados ​​en la ciencia, pero nunca interfirieron con su hijo y le permitieron hacer sus propios experimentos.

A los 15 años, Fabián decidió construir un sencillo telescopio reflector newtoniano basándose en un libro. Compró dos lentes de vidrio grueso con una apertura de 1,8 metros. Primero pegó una de ellas al plato giratorio con asfalto, luego apiló la otra encima, usando agua, esmeril, etc., hasta que la lente superior quedó pulida hasta formar una superficie cóncava. mediante fricción hacia arriba y hacia abajo. La lente inferior tiene una superficie convexa. La lente cóncava de arriba se convierte en la parte principal del telescopio.

Al no tener dinero para comprar esmeril, Fabián escribió a la empresa productora de esmeril y pidió una muestra 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.

"Lo hice exactamente según el método del libro. Nadie me dijo si estaba bien o no", recuerda con una sonrisa. Con este telescopio casero, Fabián estaba emocionado de ver los cráteres grandes y pequeños de la luna.

En el año en que el cometa Aaron Rowland se acercó a la Tierra, la Unión Soviética lanzó el primer satélite terrestre artificial del mundo. Comenzó oficialmente la carrera espacial entre Estados Unidos y la Unión Soviética. Fabián escribió a la NASA diciendo que era un fanático del espacio y que esperaba recibir algunos materiales de estudio con regularidad. La NASA le enviaba un póster o algo así todos los meses, lo que, según recuerda, actuó como catalizador para su carrera posterior.

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 para estudiar física en el King's College de Londres, a orillas del Támesis. Después de graduarse, decidió unirse al Laboratorio de Ciencias Espaciales Murad del University College de Londres, a 50 kilómetros al sur de Londres, para estudiar un doctorado en astronomía espacial. En el principal laboratorio de ciencia espacial del mundo, finalmente eligió como mentor a Peter Sanford, cuya experiencia consistía en el desarrollo de equipos espaciales para detectar rayos X en el universo.

Los rayos X son completamente diferentes a la luz visible, y a menudo corresponden a estructuras cósmicas con temperaturas de hasta decenas de millones de grados (no sabían en ese momento que estas estructuras estaban causadas principalmente por material caer en agujeros negros). Por sugerencia de su mentor, Fabián planeó estudiar la estructura de fondo de los rayos X cósmicos con el cohete sonda Skylark. La solicitud del proyecto se desarrolló sorprendentemente bien y fue aprobada tan solo una Navidad.

Detectar el fondo de rayos X no fue difícil: se podía medir directamente con los contadores ortogonales populares en ese momento, pero había que eliminar los efectos de los rayos cósmicos. Sanford había descubierto una manera de distinguirlos teóricamente; todo lo que Fabián tenía que hacer era diseñar circuitos integrados y dispositivos electrónicos reales. Para ello, complementó sus conocimientos de electrónica y unos meses más tarde diseñó el primer prototipo. La primera muestra encontró problemas de interferencias de radio durante la prueba y fueron necesarias varias repeticiones antes de que el dispositivo se estabilizara. También fue durante este período que estudió sistemáticamente la astronomía y la astronomía de rayos X.

Las cuerdas del paracaídas se enredaron y la carga se rompió durante el descenso. Al día siguiente, Fabián tomó un helicóptero y buscó por el desierto los restos de la carga útil. Afortunadamente, los datos se transmitieron a tierra a través del 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, con un tiempo de detección efectivo de 15 minutos. Algo salió mal en las etapas finales del experimento, las líneas del paracaídas se enredaron y la carga útil se estrelló contra el suelo, salpicándose por todo el suelo. Al día siguiente, Fabián tuvo que volar en helicóptero por el desierto y el calor sofocante de Woomera en busca de fragmentos de su carga útil, hasta que las turbulencias provocadas por la fuerte convección le provocaron náuseas. Aunque no se encontraron todos los escombros, afortunadamente, el equipo de telemetría leyó a tiempo los datos del detector principal.

En enero de 1971, el cohete sonda Skylark SL1001 fue lanzado con éxito desde el sitio de lanzamiento de cohetes Woomera en el sur de Australia. El cohete estaba equipado con tecnología científica desarrollada por Fabian para detectar la estructura del fondo cósmico de rayos X. . instrumento.

Fabián regresó al laboratorio para analizar los datos y publicó su primer artículo académico en Nature Physical Sciences. En el artículo, titulado "Observaciones de cohetes del fondo cósmico de rayos X", Fabián y Sanford concluyeron 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. Otro experimento con cohetes sonda que diseñaron y lanzaron con éxito en Italia confirmó y amplió esta conclusión.

En 1972, Fabian aprobó la defensa de su graduación y planeó unirse al equipo de Riccardo Giacconi, el pionero de la investigación estadounidense sobre rayos X.

Giacconi era ingeniero en la American Science and Engineering Corporation Ya en 1962 descubrió la primera fuente cósmica de rayos X, Scorpio X-1, utilizando un cohete sonda, por lo que se la conoció como X. -ray Padre de la astronomía y premio Nobel de Física en 2002.

Unos años más tarde, la NASA decidió reactivar el programa, pero Fabián estaba decidido a quedarse en el Reino Unido. Encontró un puesto postdoctoral con el astrofísico Martin Rees, a quien admiraba desde hacía mucho tiempo, y lo siguió al Instituto de Astronomía de la Universidad de Cambridge. Fue en Cambridge donde Fabián entró en contacto por primera vez con la investigación de agujeros negros relacionada con las observaciones de rayos X. Este fue también el comienzo de un nuevo capítulo en su carrera científica. Trabajó en el Instituto de Astronomía de Cambridge durante más de 30 años y fue nombrado profesor de investigación en 1982. Sus intereses de investigación se centraron en 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 todas las galaxias, incluida la Vía Láctea, tienen uno o más agujeros negros supermasivos en sus centros. Estos agujeros negros tienen masas de entre un millón y 10 mil millones de masas solares, y su inmensa gravedad atrae el gas circundante, formando una delgada órbita en espiral conocida como disco de acreción (disco de acreción). A finales de la década de 1980, Fabian predijo que debido a la fuerte gravedad de la relatividad general, las líneas de hierro en el espectro de rayos X de los discos de acreción de los agujeros negros parecerían más anchas y tendrían frecuencias más bajas.

Unos años más tarde, observó este fenómeno en los centros de varias galaxias brillantes utilizando el Satélite Avanzado de Cosmología y Astrofísica (ASCA) de Japón y Estados Unidos. También descubrió que la emisión de rayos X esconde dos mecanismos diferentes: uno es generado 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 activo que rebotan hacia el universo generado. Al medir el pequeño retraso entre estas dos emisiones, el equipo de Fabián calculó la velocidad de giro del propio agujero negro. Este es el método más utilizado hasta la fecha para medir el giro de un agujero negro supermasivo.

Predecir y confirmar cómo se forman los rayos X alrededor de los agujeros negros en los centros de las galaxias, desarrollando así un poderoso método para medir el giro de los agujeros negros, es la importante contribución de Fabián al floreciente campo de los rayos X. uno de astronomía. Utilizando estas herramientas, él y sus colaboradores también combinaron grandes cantidades de datos de observación con teoría para revelar el impacto de los agujeros negros supermasivos en el espacio-tiempo circundante y el papel central que desempeñan estos agujeros negros en la formación y evolución de las galaxias.

En los primeros días de la investigación de los agujeros negros, se creía que los agujeros negros supermasivos eran sólo decoraciones y tenían poco que ver con las galaxias en las que residen. A finales de los años 1990, 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, más masivo es el agujero negro en su centro. Esto les llevó a pensar que estos agujeros negros pueden ser en realidad el "motor central" de la galaxia en la que residen, dominando la evolución de la galaxia. El trabajo de Fabián a escala de cúmulos de galaxias proporciona pruebas sólidas de esta conjetura.

En julio de 1999, Fabián presenció el lanzamiento del Observatorio Chandra desde Cabo Cañaveral, la última arma en astronomía de rayos X.

Al analizar imágenes de rayos X del cúmulo de galaxias Perseo tomadas por el satélite Chandra, Fabian concluyó que es probable que estos agujeros negros supermasivos transfieran energía a través de la interacción de chorros y discos de acreción. espacio fuera de la galaxia, provocando que la temperatura del gas entre galaxias aumente e impidiendo que se junte 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 también 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. Aprovechó este tiempo para visitar a los guerreros y caballos de terracota en Xi'an, algo que tanto anhelaba, y dio una conferencia sobre la observación de agujeros negros en una universidad local. La enorme sala de conferencias estaba llena de estudiantes e incluso los pasillos estaban llenos de gente. El entusiasmo de la audiencia dejó una profunda impresión en Fabián. Después de la conferencia, los estudiantes se reunieron a su alrededor y le preguntaron cómo podían aprender sobre los agujeros negros. Fabián sugirió: "Puedes pedir consejo a los profesores de la escuela". Pero luego le dijeron que por ser una "universidad aplicada" no había cursos de astronomía. Fabián se sorprendió. "La educación astronómica en China tiene un enorme potencial".

Fabián cree que la astronomía de rayos X es un gran avance en el desarrollo de la astronomía china. China tiene cohetes de alto empuje que pueden lanzar su propia estación espacial y ciertamente podrá lanzar un gran telescopio astronómico de rayos X. 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 el espacio de desarrollo futuro es muy amplio.

"El eXTP (Enhanced X-ray Timing and Polar Mission - Nota del autor) que está desarrollando China será un paso importante en el desarrollo de China, pero después del eXTP, definitivamente podremos construir un telescopio más grande Basta pensar en el tamaño de los telescopios ópticos y radiotelescopios existentes. Para lograr el mismo éxito en la banda de rayos X que en las bandas óptica y de radio, tenemos todos los motivos para creer que dentro de veinte o treinta años se necesitarán aperturas mayores. "La astronomía de rayos X de China seguirá el ritmo de Europa y Estados Unidos".

Fabian tiene grandes esperanzas en Athena, el telescopio astronómico de rayos X de próxima generación que está desarrollando la ESA.

Fabián, de 72 años, dijo: "Las capacidades espectrales y de imágenes de Athena son al menos diez veces mayores que las del telescopio Chandra y el telescopio XMM-Newton. Observará profundamente el universo caliente y violento, mapeará la estructura de los gases calientes y buscará supermasivos". Agujeros negros, que aportan más pruebas para comprender cómo afectan los agujeros negros a la formación y evolución del universo "El lanzamiento de Athena está previsto para 2031 y espero con ansias grandes descubrimientos". --¡Si vivo lo suficiente! "

Referencias:

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

2. Edwin Cartlidge (2020). Notas interpretativas del Premio de Astrofísica: los agujeros negros como motor de la galaxia, obtenido 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