NICER, navegando en el espacio con estrellas de neutrones

Hace unas semanas la NASA anunció la aprobación de dos misiones científicas de bajo coste dentro del programa Explorer del Centro Goddard, TESS y NICER. En su momento, el cazador de exoplanetas TESS se llevó casi todos los titulares, lo que es bastante injusto porque NICER es una misión fascinante.

El instrumento NICER en el exterior de la ISS (NASA).

Para empezar, NICER (Neutron-star Interior Composition Explorer) no es un satélite independiente, sino que estará situado en el exterior de la estación espacial internacional (ISS). Y sólo por eso ya es interesante. La misión NICER, también conocida como NICER/SEXTANT (Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology) está formada por un instrumento del tamaño de una nevera dotado de 56 telescopios de rayos X de pequeño diámetro desarrollado conjuntamente entre el Centro Goddard y el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT).

Su objetivo: estudiar la viabilidad de la navegación espacial mediante estrellas de neutrones. Como lo oyen. Usar púlsares -estrellas de neutrones que rotan muy rápido y emiten profusamente en radio y en altas energías- como sistema de posicionamiento dentro del Sistema Solar no es un concepto nuevo (en Eureka hablamos del tema por aquí). La idea es en teoría muy simple. Los púlsares giran a gran velocidad emitiendo señales en casi todas las longitudes de onda. Lo interesante es que la estabilidad de su señal supera en muchos casos a la de algunos relojes atómicos, especialmente en el caso de los púlsares de milisegundo, que giran unas 700 veces por segundo. En teoría, esta precisión permite usar las señales de los púlsares para triangular la posición de una nave con respecto al cielo, como si de un GPS cósmico se tratara.

NICER en la ISS (NASA).

Actualmente las naves espaciales interplanetarias utilizan las ondas de radio para navegar entre planetas, pero este sistema no es totalmente preciso y en la órbita de Neptuno el error puede alcanzar los cien kilómetros. Para afinar la precisión, las naves interplanetarias usan otros sistemas de navegación complementarios a la radionavegación, como sensores estelares o medir la ocultación de las señales de radio mediante lunas o planetas. Pero estas técnicas no funcionan si la nave está lejos de una luna o planeta, mientras que la navegación mediante púlsares vale para cualquier zona del Sistema Solar, incluido el espacio profundo. Además, se trata de una técnica completamente autónoma, ya que la nave no depende de las señales emitidas a la Tierra para determinar su posición.

La pega es que este sistema requiere el uso de telescopios de rayos X para ver los púlsares. Si los observamos en longitudes de onda visibles o de radio necesitamos grandes instrumentos ópticos o, en el caso de las ondas de radio, lidiar con las interferencias del medio interestelar. Los telescopios de NICER forman el instrumento XTI (X-ray Timing Instrument) y observarán los rayos X procedentes de los púlsares con energías de 0,2 – 12 keV. Cada telescopio de óptica rasante consta de 24 ‘espejos’ anidados y tiene un área efectiva de 50 centímetros cuadrados, pudiendo ver un área del cielo de 15 minutos de arco cuadrados. La precisión temporal será del orden de 155 nanosegundos, necesaria para averiguar si la navegación mediante púlsares es una idea práctica o no.

Tres de los telescopios de rayos X de NICER (NASA).
El área efectiva de NICER supera al XMM-Newton de la ESA (NASA).

Además de estudiar la posibilidad de la navegación interplanetaria, NICER llevará a cabo estudios espectroscópicos de alta resolución. Esto permitirá revelar la masa y radio de varias estrellas de neutrones y averiguar la ecuación de estado de la materia degenerada en el interior de las mismas. Actualmente, las observaciones de estrellas de neutrones son compatibles con un gran número de ecuaciones de estado. Es decir, no sabemos cómo es el interior de las estrellas de neutrones exactamente. NICER permitirá mejorar la determinación de los radios de púlsares en un orden de magnitud, poniendo severos límites a los modelos existentes.

Modelos del interior de una estrella de neutrones (NASA).
NICER permitirá limitar el número de ecuaciones de estado posibles que expliquen el tamaño de las estrellas de neutrones.

El radio de los púlsares se podrá caracterizar observando las modulaciones del flujo de rayos X debido a la rotación de las ‘manchas calientes’ (los polos magnéticos) situadas en la superficie de una estrella de neutrones. Cuanto menor sea la estrella, menor será la variación en el flujo de rayos X. Como curiosidad, para modelar el radio del astro es necesario tener en cuenta la curvatura del espacio tiempo en las cercanías de una estrella de neutrones, causante de que la luz se curve (bueno, hablando con propiedad, la luz sigue una trayectoria geodésica, o sea, la trayectoria más corta en el espacio tiempo curvo, pero ustedes me entienden).

Método para determinar el tamaño de una estrella de neutrones observando las variaciones en el flujo de rayos X de un púlsar (NASA).
El campo gravitatorio de un púlsar distorsiona su imagen. A la izquierda, apariencia de una estrella de neutrones sin tener en cuenta la gravedad. A la derecha, teniendo en cuenta el campo gravitatorio (NASA).

NICER será lanzado en 2017 a bordo de un HTV japonés o una Dragon estadounidense, instalado en una plataforma ExPRESS. Su lugar de observación será la viga central de la ISS, donde también se encuentra el detector de rayos cósmicos AMS-02. Esperemos que logre desvelar algunos de los numerosos misterios que encierran los púlsares.

Referencias:


14 Comentarios

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AnonymousAnonymous

Casiopea A es el remanente de una supernova, en su centro hay una estrella de neutrones rodeada de una finísima atmósfera de carbono de unos 10 cm, con una densidad similar a la del diamante y una presión 10 veces superior a la del centro de la Tierra. O sea que, atmósfera sí, pero… (Fuente: http://www.nature.com/nature/journal...e08525.html)

AnonymousAnonymous

En los gráficos que ha puesto Daniel se ve bastante claro.

Existe un gradiente de densidad entre su centro (densidad máxima) y el espacio circundante (densidad cero). En medio se da una gradación, aunque seguramente con discontinuidades.

Lo único que podría impedir que las capas más exteriores no sean de materia normal (principalmente H y He) es si la temperatura local fuera lo bastante elevada para que se tratara de un plasma.

Shankao

Una pregunta de total analfabeto físico. ¿Hay púlsares que emiten con el mismo periodo? ¿No puede ocurrir que se reciban rayos x desde dos púlsares desde el mismo arco?

LattisNetLattisNet

Daniel debería subir un post sobre el funcionamiento de un telescopio de Rayos X.

fendetestas

Ola!! Parece ciencia ficción pero se le ve más cerca que otras ideas sobre impulsión de naves espaciales que no parecen viables ni a medio plazo.
Saúdos

EudoxoEudoxo

A lo mejor alguno ha leído las deliciosas historias sobre la vida en una estrella de neutrones del fallecido R.L. Forward, “Starquake” y “Dragon’s Egg”, disponible también en castellano.

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