Por qué Sgr A* acreta materia de forma tan ineficiente

Dibujo20130829 Zoom into the galactic center - supermassive black hole Sgr A emitting a broad spectrum of light from radio up to x-rays

Sgr A*, el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, ha sido observado por el telescopio espacial Chandra de rayos X. Hay una fuente puntual rodeada por una región de 2″ (segundos de arco) con estrellas muy débiles y nubes de gas. El 99% de este gas no alcanza el horizonte de sucesos de Sgr A*, porque el flujo de entrada es casi equilibrado por un flujo de salida, impidiendo que la materia capturada en esta región llegue a acercarse al horizonte. Por ello el brillo de Sgr A* en rayos X es un millón de veces menor del esperado (pues su tasa de acreción debería ser de 10-5 masas solares por año). Que la materia cercana a Sgr A* sea eyectada es una predicción de los modelos teóricos RIAF (por Radiatively Inefficient Accretion Flows) para agujeros negros que acretan materia de forma muy ineficiente. En los próximos meses una gran nube de gas colisionará con Sgr A* y debería provocar un incremento de su luminosidad en un factor de un millón confirmando estos modelos teóricos. Habrá que estar al tanto. Nos lo cuenta Jeremy D. Schnittman, “The Curious Behavior of the Milky Way’s Central Black Hole,” Science 341: 964-965, 30 Aug 2013, que se hace eco de Q. D. Wang et al., “Dissecting X-ray–Emitting Gas Around the Center of Our Galaxy,” Science 341: 981-983, 30 Aug 2013.

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Por primera vez logran “pelar” un átomo de Neón, electrón a electrón, hasta quitarle sus 10 electrones

 

Un átomo es como una cebolla: los electrones se distribuyen en capas, llamadas K, L, M, … (indexadas por el número cuántico n=1, 2, 3, …). A baja energía, las capas interiores de un átomo como el Neón son inaccesibles (su estructura atómica es 1s2 2s2 2p6). Para ver los electrones en las capas interiores (electrones 1s2 en el caso del Neón) se requiere una fuente láser de pulsos ultracortos muy intensa que permita “pelar” el átomo como si de una cebolla se tratara. El año pasado se inauguró en EEUU una fuente de rayos X de este tipo y ahora se publica en Nature la primera vez que se logra despojar a un átomo de Neón de todos y cada uno de sus 10 electrones, permitiendo obtener todos los iones (cationes) posibles de dicho átomo. Además, se ha logrado observar por primera vez los electrones del nivel K de átomos de Neón rodeados de “huecos” en los niveles L. Hay que recordar que en mecánica cuántica un electrón y el “hueco” ocupado por un electrón se comporta de forma muy parecida. La observación de electrones de nivel K rodeados de “huecos” de nivel L confirma, como era de esperar, los resultados predichos por la mecánica cuántica. Este es el primer artículo importante que se obtiene en la fuente de rayos X coherente llamada Linac (Linac Coherent Light Source) en el Laboratorio Nacional SLAC (SLAC National Accelerator Laboratory) en California. Se han utilizado pulsos de rayos X ultraintensos (1018 W cm−2), ultracortos (1’5–0’6 nm) con un alto númeor de fotones (~105 fotones de rayos X por Å2). Gracias a estos pulsos tan extremos se ha logrado una rápida ejección de los electrones de átomos de Neón. Ajustando adecuadamente la energía se pueden fotoejectar todos los electrones del átomo. Un gran logro experimental, aunque se haya confirmado a la perfección la teoría (las predicciones para este problema dadas por la mecánica cuántica). Nos lo cuenta Justin Wark, “Atomic physics: X-ray laser peels and cores atoms,” Nature 466: 35–36, 01 July 2010, haciéndose eco del artículo técnico de L. Young et al., “Femtosecond electronic response of atoms to ultra-intense X-rays,” Nature 466: 56–61, 01 July 2010.

Este primer gran resultado del Linac del SLAC es sólo una prueba de concepto pero nos muestra las grandes posibilidades de este ultraláser de rayos X a la hora de explorar el mundo atómico y molecular. Es un primer paso hacia el proyecto emblemático de este Laboratorio Nacional, la reconstrucción tridimensional de moléculas de interés biológico que no se pueden cristalizar y que por tanto están fuera de las capacidades de las técnicas basadas en la difracción. Se espera que pronto se publicará la primera reconstrucción 3D de alguna proteína pequeña utilizando esta nueva técnica, solo al alcance de quienes tengan acceso a fuentes láser de rayos X ultraintensas, como Linac.

 

PS (3 julio 2010): Más información en inglés en “SLAC’s new X-ray laser peels and cores atoms,” Symmetry Breaking, July 2, 2010. Y más información, con fotos, del LCLS en Brad Plummer, “From atom smashers to X-ray movies,” Symmetry, March/April 2008.

Desenrollar cinta adhesiva en una cámara de vacío produce rayos X que pueden impresionar radiografías

Katharine Sanderson, “Sticky tape generates X-rays. How weird is that?,” Nature News, 22 October 2008 , nos comenta el artículo de los investigadores de la Universidad de California, Los Angeles, Carlos G. Camara, Juan V. Escobar, Jonathan R. Hird, Seth J. Putterman, “Correlation between nanosecond X-ray flashes and stick-slip friction in peeling tape,” Nature, 455: 1089-1092, 23 October 2008 , en el que muestran que “desenrollar” una cinta adhesiva en una cámara de vacío puede producir rayos X suficientes para tomar una imagen de uno de los dedos de los investigadores (como vuestra el vídeo; lo siento, está en inglés). La cinta utilizada es Photo Safe 3M Scotch Tape (ancho 19 mm, rollos de 25.4 m).

La triboluminiscencia es la producción de luz visible debido al movimiento relativo entre dos superficies en contacto (a veces nos saltan chispas cuando nos quitamos un abrigo de lana, por ejemplo). En laboratorio se había demostrado que también se producen rayos X. Los autores del artículo muestran dicho fenómeno con cintas adhesivas (de las habituales en cualquier escritorio). En un vacío moderado, se produce tanto emisión visible, como ondas de radio y emisión de rayos X (pulos de unos 100 mW, miliwatios). Estos fenómenos son similares a la descarga que algunos sufren al bajar de un coche y tocar el dedo la puerta, o en los hoteles con moqueta al tocar el picaporte de una puerta. Para mucha gente no es sólo un fenómeno visible sino también incómodo y/o doloroso. Los autores del artículo han observado pulsos de rayos X con una energía pico de 15 keV, suficientes para producir una imagen de rayos X en una película estándar de radiología.

La tribología es la rama de la ciencia que estudia los fenómenos asociados al rozamiento (fricción) entre superficies. La triboelectrificación es un fenómeno conocido desde la antigüedad aunque su explicación física microscópica no es conocida con todo detalle. Por ejemplo, para la cinta adhesiva de los vídeos se ha propuesto que el fenómeno es debido a las fuerzas de van der Waals pero su baja energía difícilmente puede explicar la generación de fotones (luz); este fenómeno fue descubierto N.E. Harvey, “The luminescence of adhesive tape,” Science, 89: 460-461, 1939 . De hecho, el fenómeno mostrado en el vídeo, la emisión de rayos X en un vacío moderado, se conoce desde hace mucho tiempo (fue descubierto en 1953 por los rusos Karasev, Krotova, y Deryagin, en un artículo en ruso).

Los investigadores californianos han utilizado un radiómetro de rayos X de alta eficiencia y han encontrado que los pulsos emitidos son ultracortos (duran nanosegundos) lo que indica que la emisión se origina en una región submilimétrica cercana al vértice entre la cinta que se despega y la que está adherida al tubo. En dicho vértice la acumulación de carga eléctrica durante el proceso de “despegado” de la cinta es muy alta, cuatro órdenes de magnitud superior a la habitual en otros fenómenos triboeléctricos similares.

Los autores del nuevo artículo en Nature proponen como explicación para el fenómeno observado el “efecto lente”, el enfoque (no lineal) de la radiación electromagnética emitida en el espectro visible que logra incrementar la energía final del pulso hasta el régimen de los rayos X: Conforme la cinta es despegada, el adhesivo acrílico se carga positivamente y el rollo de polietileno se carga negativamente, lo que produce una diferencia de potencial y un campo eléctrico que produce las descargas (chispas). En un ambiente con presión reducida (vacío), las descargas aceleran los electrones a energías en las que pueden emitir rayos X cuando colisionan con la cara de la cinta cargada positivamente (fenómeno de Bremsstrahlung). La intensidad de la emisión es suficientemente fuerte como para ser usada como fuente en fotografía de rayos X (utilizan en el vídeo una placa típica de las usadas en radiografía dental).

El vídeo aparecido originalmente en la revista Nature con una duración de 8:37 lo tenéis en youtube en: