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¿Qué son los ecos de luz? Usando reflejos de luz para ver aún más atrás en el tiempo

   Artículo publicado originalmente en Universe Today - Autor: Fraser Cain - 6 de Agosto de 2019


Cuando miramos hacia el espacio, miramos hacia atrás en el tiempo. Eso es porque la luz se mueve, a la velocidad de la luz. La luz tarda en llegar hasta nosotros.

Pero se vuelve aún más extraño que eso. La luz puede ser absorbida, reflejada y reemitida por el gas y el polvo, dándonos una segunda mirada.
Se llaman ecos de luz y permiten a los astrónomos otra forma de entender el Universo que nos rodea.
Todos estamos familiarizados con la idea de un eco. Los sonidos viajan por el aire y luego se reflejan en un objeto distante y regresan. Se escucha el sonido original y luego el sonido reflejado. Y a partir de esa reflexión, se puede aprender sobre la superficie reflectante. ¿Está cerca o lejos? ¿De qué está hecha?
Esto se debe a que el sonido se mueve a una velocidad de aproximadamente 343 metros por segundo. La luz, por otro lado, se mueve a una velocidad de casi 300,000 km / s. Demasiado rápido para que tus ojos vean el reflejo, pero en el espacio, donde los objetos pueden tener muchos años luz de diámetro, los astrónomos pueden ver esferas de luz moviéndose a través de nubes de gas y polvo, ecos de destellos poderosos y supernovas.
El mejor ejemplo de eco de luz es el radar, que se utiliza para hacer rebotar las señales de radio de los objetos para mapearlos. Un radar consiste en un transmisor, para enviar las señales, y luego en un receptor, para capturarlas nuevamente.
Como sabe la velocidad a la que se mueve la luz, puede detectar su pulso de radio rebotando en los objetos y luego usar esa cifra para saber qué tan lejos están.
Aquí en la Tierra, son utilizados por barcos y aviones para navegar, así como para el seguimiento del clima.



Un .gif de rotación de radar del "cometa de roca" 3200 Phaethon de diciembre de 2017. Crédito: NASA / NSF / Arecibo

 Pero los astrónomos usan el radar para encontrar las distancias a los planetas y mapear las superficies de los asteroides. Por ejemplo, cuando el asteroide 3200 Phaethon hizo su aproximación más cercana a la Tierra en diciembre de 2017, el radio observatorio de Arecibo reunió estas imágenes de su superficie.
Las ondas de radio son la forma perfecta de radiación electromagnética para detectar reflejos. Cuando la luz rebota en un objeto distante, ya es muy tenue, y luego tiene que volver haciéndolo aún más débil.



Experimento de alineación láser lunar en la superficie de la Luna, utilizado por los astrónomos para calcular la distancia a la Luna. Crédito: NASA

Pero los láseres también se han utilizado para medir la distancia a la Luna. Cuando los astronautas aterrizaron en la Luna durante las misiones Apolo, colocaron retroreflectores especiales en la superficie. Los científicos en la Tierra pueden disparar un potente láser a la Luna y detectar la luz reflejada a medida que regresa.
Una vez más, al conocer la velocidad a la que viaja la luz, pueden calcular la distancia a la Luna al ver cuánto tarda la luz láser reflejada en regresar a la Tierra.
Pero para aprovechar realmente la luz reflejada, debe ser mucho más brillante. Como la energía que produce una estrella recién formada, una estrella que explota, o un agujero negro supermasivo que se alimenta activamente.
La naturaleza está liberando radiación electromagnética todo el tiempo, en forma de luz visible, radiación infrarroja e incluso ondas de radio. Y los astrónomos han descubierto formas de ver la luz reflejada para descubrir cosas sobre el Universo.



V838 Mon (Crédito: NASA, Agencia Espacial Europea y Howard Bond (STScI))

Una imagen con la que puede estar familiarizado es la estrella V838 Monocerotis, ubicada a unos 20 mil años luz de distancia. Los astrónomos todavía están tratando de averiguar por qué, pero por alguna razón en 2002, las capas externas de la estrella supergigante roja se expandieron enormemente, convirtiéndola en la estrella más brillante de toda la Vía Láctea, superando en brillo al Sol unas 600 mil veces. Fue como una bombilla que de repente se apaga en una habitación oscura.
No era una nova, donde el material se acumula en la superficie de una enana blanca. Y no era una supernova, donde una estrella masiva detona al final de su vida. Era algo más.
V838 se iluminó tan rápido como se desvaneció. Pero el efecto posterior de este flash ha sido visible durante casi dos décadas después del evento. 

Ocho imágenes tomadas de la estrella V838 Mon por Hubble. Crédito: ESA / Hubble / NASA

 Mire esta animación, compuesta de observaciones separadas de V838 durante varios años. Esto no es una explosión, es la luz que se mueve esféricamente a través del gas interestelar y el polvo que rodea la estrella. A medida que pasa a través del polvo, se dispersa y le toma un trayecto más largo llegar a la Tierra.
Este eco de luz permitió a los astrónomos estudiar la naturaleza del polvo, que podría haber sido arrojado por la estrella hace mucho tiempo, pero que no era visible para los astrónomos sin esta linterna provista por la estrella.
Los astrónomos han usado ecos de luz para estudiar la formación de planetas alrededor de una estrella joven. En este caso, se utilizaron el telescopio espacial Spitzer de la NASA y 4 observatorios terrestres para medir el tamaño de la brecha alrededor de una estrella recién formada a su disco protoplanetario.



Ilustración artística de un disco protoplanetario alrededor de una estrella recién formada. Las bengalas iluminan el borde del disco, lo que permite a los astrónomos calcular su tamaño. Crédito: NASA / JPL-Caltech

La estrella se llama YLW 16B, y se encuentra a unos 400 años luz de la Tierra. Tiene aproximadamente la misma masa que el Sol, pero solo tiene 1 millón de años, solo un bebé. Incluso en estos poderosos observatorios, la brecha protoplanetaria es demasiado pequeña para medirse directamente. En lugar de esto, se utilizaron ecos de luz para llegar al tamaño.
Las estrellas jóvenes tienen un brillo variable y cambian la cantidad de luz que emiten día a día. El material sale del disco protoplanetario, queda atrapado en las líneas del campo magnético de la estrella y luego cae sobre la estrella, encendiéndola.
A medida que la estrella cambia de brillo, parte de esa luz adicional golpea el disco planetario, creando un eco que los astrónomos pueden detectar.
Como sabían qué tan rápido iba la luz, pudieron calcular cuánto tiempo le tomó al brillo alcanzar el disco y calcular qué tan grande es la brecha.
La luz tarda 74 segundos en alcanzar la brecha, lo que significa que está a 0.08 unidades astronómicas, o 12 millones de kilómetros de la estrella. Solo para comparar, la distancia del Sol a Mercurio es de unos 60 millones de kilómetros.
Recientemente se utilizó otro ejemplo de ecos de luz en astronomía para estudiar el entorno alrededor de un agujero negro de masa estelar.



Esta imagen muestra la configuración de los 56 espejos de rayos X de NICER que reunirán observaciones científicas y desempeñarán un papel instrumental en la navegación de rayos X de demostración. Créditos: NASA

 Los astrónomos utilizaron el Neutron Star Interior Composition Explorer (o NICER) a bordo de la Estación Espacial Internacional. Este instrumento fue capaz de detectar las emisiones de rayos X de un agujero negro recién descubierto llamado J1820, que se alimentaba de una estrella compañera.
El agujero negro se encuentra a unos 10.000 años luz de distancia en la constelación de Leo, y fue descubierto por primera vez por la misión Gaia de la Agencia Espacial Europea.
El 11 de marzo de 2018, el agujero negro explotó repentinamente, convirtiéndose en uno de los objetos más brillantes en el cielo de rayos X. Por supuesto, no fue el agujero negro lo que se encendió, sino el disco de acreción que rodea el agujero negro hecho de material robado de su estrella compañera.  

 

 Este material está girando, y al ser calentado por la intensa presión y el magnetismo del ambiente genera radiación de rayos X. Está rodeado por una corona, una región de partículas subatómicas que alcanza los mil millones de grados centígrados.
Una inestabilidad en el disco puede causar un colapso, como una avalancha que cae de una montaña, liberando un estallido de radiación.
Es este borde interno del disco de acreción lo que los astrónomos querían poder estudiar. Una vez más, se tiene una fuente de iluminación, la llamarada causada por un colapso del disco. Esto libera rayos X directamente en todas las direcciones, pero los rayos X también pasan a través del disco, reflejándose en diferentes longitudes de onda e intensidades.
Los astrónomos pudieron ver que la brecha entre el agujero negro y su disco de acreción no parece cambiar durante estos eventos de llamarada, pero la corona circundante cambia dramáticamente, reduciéndose al pasar de 160 km a 16 km.
En enero de 2014, los astrónomos descubrieron una nueva supernova en la galaxia M82. Conocida como SN 2014J, esta era una supernova Tipo 1a, donde una enana blanca roba material de una estrella compañera. Cuando alcanza aproximadamente 1,4 veces la masa del Sol, explota, claramente visible desde millones de años luz de distancia.
A solo 11 millones de años luz de distancia, esta era la supernova del tipo 1a más cercana que los astrónomos habían visto en 40 años, y era la oportunidad perfecta para estudiar con el telescopio espacial Hubble.



La luz hace eco de una explosión de supernova en la galaxia M82. Crédito: NASA / ESA / Hubble

El Hubble observó la región 10 meses después de que estalló la supernova, y luego nuevamente dos años después. Y puede ver claramente la radiación de la explosión, moviéndose a través del material circundante, iluminándolo a la velocidad de la luz.
Los astrónomos estiman que esta región de gas y polvo se extiende alrededor de 300 a 1,600 años luz alrededor de la estrella muerta, y se ilumina un año luz por año por la luz reflejada de la explosión de supernova. De hecho, los astrónomos han visto suceder esto más de 15 veces, pero esta fue la más cercana y por lo tanto la de mayor y más alta resolución que jamás hayan podido ver.



Fusionando galaxias ShaSS 073/622. Crédito: ESO / Merluzzi et al.

 Vayamos a una escala mayor. Esta es una imagen de una colisión entre galaxias en proceso de fusión. La galaxia más grande, ShaSS 073 tiene un agujero negro supermasivo que se alimenta activamente en su núcleo, lo que lo hace increíblemente brillante. La galaxia menos masiva se llama ShaSS 622.
La radiación está saliendo del disco de acreción alrededor del agujero negro supermasivo y bombardea la galaxia más pequeña, haciendo que brille a medida que absorbe y vuelve a emitir la luz. Es un punto pequeño en esta imagen, pero tiene 1.800 millones de años luz cuadrados en el espacio.
Pero aquí está lo raro. Según sus cálculos, los astrónomos descubrieron que no hay suficiente radiación para que brille tan fuertemente. En lugar de eso, el estallido ocurrió 30 mil años antes, cuando el núcleo de la galaxia era mucho más brillante y ahora están viendo la luz reflejada.
El hecho de que la luz se mueva a velocidad constante es muy útil para explorar el Universo, incluso cuando hace eco.

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