Astronomía de Rayos X
El advenimiento de la nueva generación de telescopios orbitales de rayos X — Chandra, XMM-Newton y Nustar — revolucionó nuestra visión del Universo de rayos X, al proveer información con detalles sin precedentes, de distintas clases de fuentes, entre las que se cuentan las involucradas en los proyectos de investigación que se realizan por los diferentes grupos del IAR. El estudio de la emisión de rayos X de este tipo de fuentes ha permitido obtener información de los mecanismos radiativos responsables de la emisión, discernir las propiedades físicas y químicas del material emisor y conocer regiones de confinamiento de partículas relativistas.
Créditos de las imágenes: Panel izquierdo: Imagen en rayos X ROSAT del SNR de Vela en el rango de energía de 0.44−2.04 keV. Los fragmentos A y G se indican con círculos en blanco, y conectados por una línea punteada que pasa por la posición del pulsar de Vela. Panel derecho: Mapa de cuentas en el rango de energía de 1.3−2.0 keV correspondiente a la banda del Si. Los contornos amarillos representan la emisión en el rango de 0.3−3.0 keV. La región más intensa del Si coincide con los dos fragmentos de máxima intensidad de emisión. Artículo en A&A
En los últimos 20 años la astrofísica de rayos X ha alcanzado un importante grado de madurez, debido a la consolidación de técnicas observacionales y tecnologías que han posibilitado detectar y medir una gran cantidad de fuentes cósmicas de radiación X con resolución espacial y espectral sin precedentes. Esto la coloca en una posición que le ha permitido interactuar positivamente con observaciones obtenidas en otros rangos de longitud de onda ya consolidados en investigaciones astrofísicas (radio, infrarrojo, óptico). Esta interacción provee una realimentación virtuosa que permite encarar el estudio de los objetos mencionados desde un punto de vista integral.
Algunos de los temas involucrados en investigaciones que se realizan en el IAR y hacen uso de datos obtenidos con satélites orbitales incluye: remanentes de supernovas, estrellas de neutrones, sistemas binarios que albergan agujeros negros de masa estelar, AGNs, regiones de formación estelar y la asociación con fuentes de rayos gamma no identificadas.
GARX es un grupo de investigación del IAR relacionado con esta temática.
Cosmología
De acuerdo al modelo cosmológico estándar, el Universo se enfría desde un estado de altísima temperatura, en el que los constituyentes de la materia se encuentran en su forma más elemental. Recién al bajar la temperatura por debajo de aproximadamente 10.000 K, pueden recombinarse protones y electrones para formar átomos neutros.
Créditos de la imagenNASA: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Reion_diagram.jpg
Esto ocurrió 0.4 Myr después del Big Bang, momento en que se produce el fondo de radiación de microondas, y que da origen a la llamada «Edad Oscura». Esta etapa termina entre 0.4 y 1 Gyr después del Big Bang, instante en que se observa que el medio que llena el Universo se encuentra nuevamente ionizado. Las causas y el desarrollo de esta transición de fase, llamada Reionización del Universo, son aún tema de debate. Si bien el consenso indica que las primeras fuentes luminosas (estrellas y sistemas estelares) serían las responsables de inyectar energía al medio para ionizarlo, la contribución de cada tipo de fuente y el detalle del proceso no se conocen aún. El estudio de este problema requiere a la vez de poderosas herramientas de simulación numerica para predecir las características del fenómeno, y de modernos observatorios radioastronómicos como el Square Kilometer Array para detectar la emisión en la longitud de onda de 21 cm, del hidrógeno neutro situado a distancias de miles de millones de parsecs.
Microquásares
Las binarias de rayos X (XRB) son sistemas binarios compuestos por un objeto compacto –que puede ser un agujero negro de masa estelar o una estrella de neutrones– acretando materia de una estrella compañera. La transferencia de masa se realiza por derrame de materia a través del punto de Lagrange L1, o por medio de vientos estelares para los casos en los que la estrella donante es una estrella masiva. Dado que el gas que está siendo acretado posee momento angular, formará un disco de acreción alrededor del objeto compacto. La temperatura en las regiones internas del disco puede alcanzar valores del orden de 10^{6-7} K, por lo que la mayor parte de la radiación es emitida en el rango de los rayos X.
En algunas XRB se detectan chorros de partículas relativistas lanzados desde las cercanías del objeto compacto, conocidos como jets. El mecanismo de producción de los jets no está claramente establecido. Existen varias hipótesis acerca de su origen, la mayoría relacionadas con mecanismos magnetohidrodinámicos. En los casos en que se detecta un jet, la XRB es llamada microquasar.
En el IAR se estudian diversos aspectos de las XRB y de los microquasares: se realizan estudios teóricos sobre los distintos caminos evolutivos de los sistemas binarios que atraviesan la etapa de XRB; se hacen estudios sobre los procesos de altas energías que tienen lugar en el entorno de agujeros negros estelares acretantes, asi como en los jets relativistas en microquasares; a su vez, se hacen estudios observacionales en rayos X de estas fuentes.
El objetivo es, a partir de los datos observacionales disponibles, proponer modelos que puedan describir la física de estos sistemas, con el fin de poder explicar el origen de sus espectros, y poder hacer predicciones (tanto de emisión electromagnética, como de neutrinos) que sean contrastables con las observaciones de instrumentos de última generación.
Núcleos Galácticos Activos
Los Núcleos Activos de Galaxias (AGNs) liberan grandes cantidades de energía a partir de la acreción de gas y polvo interestelar sobre el agujero negro supermasivo que se encuentra en el centro de todas las galaxias. El proceso de acreción es tan eficiente en transformar la energía gravitacional en radiación que el disco de acreción en torno al agujero negro llega a brillar intensamente en un gran rango de longitudes de onda. Este disco, junto con otras estructuras del AGN (el jet, la corona y una región toroidal) toro emiten o re-emiten en casi todo el rango de longitudes de onda observables. Muchos de estos fenómenos, han sido estudiados por el grupo de astrofísica de altas energías a través de la microvariabilidad radio, óptica de rayos X de la radiación originada en estas fuentes.
Procesos radiativos
La mayor parte de la información que se puede obtener de fuentes astronómicas proviene de la radiación que estas emiten. El espectro electromagnético abarca desde las radioondas hasta los rayos gamma. La mayoría de las fuentes clásicamente estudiadas por la astronomía brillan debido a que tienen una dada temperatura; en este caso decimos que emiten “radiación térmica”. El estudio de la emisión térmica permite inferir la temperatura de la fuente, y en muchos casos otras propiedades termodinámicas relacionadas con la composición química, densidad, etc. No obstante, existe otro tipo de radiación que no se relaciona con la temperatura de los objetos, llamada “no térmica”.
Se denomina radiación no-térmica a la radiación de continuo generada por partículas fuera del equilibrio termodinámico (i.e., que no tienen una distribución Maxwelliana). Esta radiación es, por lo general, indicio de que procesos energéticos tienen lugar en la fuente. Existen varios procesos de emisión no térmica, en los que partículas relativistas interaccionan con los diferentes campos -magnético, radiación y materia- presentes en la fuente. Entre ellos los más usuales son la radiación sincrotrón, que se debe a la aceleración de una partícula cargada en el campo magnético, y Compton inverso, proceso en el que un fotón de baja energía puede ser energizado al interactuar con un electrón relativista. La presencia de hadrones (e.g., protones y neutrones) relativistas puede dar lugar además a la emisión de rayos gamma por interacciones hadrónicas, como las colisiones protón-protón, o protón-fotón, entre otros.
La radiación no térmica abarca todo el espectro electromagnético, desde radioondas de baja frecuencia (de origen sincrotrón) hasta rayos gamma muy energéticos (generalmente, de origen Compton inverso o por colisiones protón-protón). En el espectro de una fuente están codificadas propiedades de la población de partículas no térmicas que lo originan (índice espectral, potencia, energía máxima que alcanzan) y de las condiciones del ambiente.
En el IAR se realizan investigaciones relacionadas con el modelado de los procesos radiativos en distintos tipos de fuentes astrofísicas, haciendo predicciones y ajustes de observaciones que ayudan a comprender la física subyacente en estos sistemas
Relatividad General
Photograph of Albert Einstein in his office at the University of Berlin, published in the USA in 1920. Dominio público
La Relatividad General es una teoría sobre el espacio, el tiempo y la gravitación formulada por Albert Einstein en 1915. En esta teoría, el espacio-tiempo se considera una entidad dotada de propiedades físicas. Las ecuaciones de Einstein relacionan en forma no lineal la geometría del espacio-tiempo y el contenido de materia en el mismo. Dada una distribución de energía y momento, resolver las ecuaciones de Einstein implica determinar la curvatura del espacio-tiempo y pues, los efectos de la gravedad sobre la materia. En el régimen de campo débil, la Relatividad General ha podido explicar exitosamente diversos fenómenos. En el Sistema Solar, las predicciones de la teoría han sido evaluadas exitosamente. Asimismo, la teoría ofrece una descripción precisa de la mayor parte de los fenómenos astrofísicos y cosmológicos. Entre estos, en régimen de campo fuerte, se destaca la predicción de la a existencia de ondas gravitacionales, la cual ha sido recientemente testeada con la detección de la fusión de un sistema binario de agujeros negros.
Creator:Paramount Credit:Paramount
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En el grupo GARRA se investigan varios aspectos relacionados con la Relatividad General y teorías alternativas de la gravitación. Por un lado se realizan estudios en Relatividad Numérica enfocados en ondas gravitacionales, sistemas binarios, estrellas de neutrones, y discos de acreción; para éstos se utilizan herramientas de cálculos tales como el Einstein Toolkit. Asimismo se llevan a cabo investigaciones en cosmología relativista, en particular, analizando los efectos de la expansión sobre sistemas astrofísicos locales como galaxias, clusters de galaxias, y su entorno. Esto incluye también estudios teóricos sobre las propiedades causales de agujeros negros cosmológicos, horizontes aparentes, campos electromagnéticos en universos en expansión, y termodinámica de universos en expansión.
Credit: Simulating Extreme Spacetimes (SXS) Project
Por otro lado, se investigan distintas implicaciones astrofísicas de teorías alternativas de la gravitación, tales como gravedad-f(R) y una teoría escalar, tensorial y vectorial de la gravitación; se han modelado discos de acreción y chorros de partículas relativistas (jets) en el entorno de soluciones de agujeros negros en estas teorías. También, se han derivado soluciones de estrellas de neutrones en teorías modificadas de la gravedad.