El renacimiento de XRISM

Mark Clampin estaba en Venecia viendo a su hija tomar una lección de góndola cuando recibió la noticia. Recordó que “estábamos caminando arriba y abajo por uno de los senderos a lo largo de los canales y recibí una llamada telefónica”.

Ahora, Clampin es director de la División de Astrofísica de la NASA, y cuando estaba en Italia era el director de Ciencia y Exploración en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard. La llamada fue de Richard Kelley, el investigador principal estadounidense del telescopio espacial de rayos X liderado por Japón, ASTRO-H. El telescopio había sido lanzado el mes anterior por JAXA, y llevaba a bordo un espectrómetro desarrollado en Goddard Space Flight Center. Era un instrumento que la NASA llevaba 40 años poner a trabajar en el espacio.

Leo el artículo publicado por JAXA, y no sé por qué pienso en los hijos que nacieron luego del fallecimiento del hermano que los precedía. Se esperaba de ellos que tuvieran una vida, diseñada por sí mismos, o plena de avatares. ¿Quién no los ha tenido?

Chandra

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“El instrumento fue elegido originalmente para volar en Chandra, en la década de 1980, cuando se estaba seleccionando la carga útil’, recordó Paul Hertz, asesor principal del Administrador Asociado de Ciencias de la NASA. “Pero Chandra se dividió en una misión de imágenes y una misión de espectroscopia. La misión que hoy llamamos Chandra es la misión de imágenes”.

El Observatorio de rayos X Chandra fue lanzado por la NASA en 1999. Veinticuatro años más tarde, Chandra sigue siendo el telescopio de imágenes de rayos X más poderoso del mundo, pero el diseño original preveía que fuera más grande, previo a que las limitaciones presupuestarias obligaran a dividirlo en dos misiones separadas.

“¡Dije que si hacíamos eso, nunca conseguiríamos la misión de espectroscopia!” dijo John Grunsfeld, ex administrador asociado de ciencia de la NASA, recordando aquel frío día de invierno en Washington cuando escuchó que la complejidad y el costo de Chandra significaban que el diseño tendría que dividirse en dos. “La financiación simplemente no estará disponible, ¡y esto resultó ser cierto!”.

Mientras que un generador de imágenes de rayos X crea una imagen a partir de los rayos X detectados, un espectrómetro de rayos X mide la intensidad de los rayos X en muchas longitudes de onda diferentes. Cuando se representa en un gráfico, se lo denomina ’espectro’. Los picos pronunciados en el gráfico son ’líneas de emisión’, donde hay una fuerte emisión de rayos X en una longitud de onda específica. Algunos de los gases más calientes del Universo emiten rayos X, y las líneas de emisión en los espectros pueden revelar la velocidad del gas, así como su composición química.

El espectrómetro de rayos X previsto fue diseñado para detectar rayos X de longitud de onda más larga, denominados “rayos X blandos”, en comparación con otros espectrómetros de rayos X. Un espectrómetro de rayos X blandos es particularmente sensible a los rayos X provenientes de estructuras extendidas, como el gas muy caliente dentro de los cúmulos de galaxias. Es un régimen que ningún instrumento previo exploró jamás.

Un desastre tras otro

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Después de que se redujo el tamaño del Observatorio Chandra, la NASA y JAXA unieron fuerzas. JAXA estaba planificando el quinto satélite de astronomía de rayos X de la agencia e invitó a la NASA a diseñar el instrumento espectrómetro de rayos X suaves para este nuevo observatorio. El desastre se produjo cuando el satélite se perdió en el lanzamiento, lo que obligó a los dos equipos a reconstruirlo. El siguiente, el telescopio de rayos X Suzaku fue lanzado en 2005 y funcionó con éxito durante diez años, pero con un problema. Poco después del lanzamiento se produjo una falla en el sistema de control térmico y se perdió el criógeno necesario para el espectrómetro.

“En esa misión tuvimos que continuar solamente con el generador de imágenes”, reflexionó Hertz. “Suzaku hizo un gran trabajo científico con las imágenes obtenidas. Pero no contaba con la espectroscopia de alta resolución”.

En febrero de 2016, JAXA lanzó el sucesor del Suzaku: el Telescopio de rayos X ASTRO-H (Hitomi). Y esta vez, el espectrómetro de rayos X suaves vio la primera luz cuando ASTRO-H observó los rayos X que brotaban del gigantesco cúmulo galáctico de Perseo.

“Teníamos ese espectro y cada vez que se lo mostraba a alguien, simplemente le dejaba boquiabierto”, dijo Clampin. “¡La calidad de los datos! ¡El hecho de que hayan resuelto estas líneas de emisión por primera vez!”

Luego todo volvió a salir mal. El 26 de marzo de 2016, ASTRO-H entró en un giro incontrolado y se destruyó.

“Recibí una llamada telefónica de Rich Kelley”, dijo Clampin. “Dijo simplemente que habían recibido un informe de que el satélite se transformó en varias piezas”.

Socios

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A fines de esa semana, quedó claro que ASTRO-H se había perdido. La única pregunta que quedaba era qué hacer a continuación. Luego, el director general del ISAS, Tsuneta Saku, voló a Estados Unidos. JAXA estaba considerando una misión de renacimiento: un nuevo telescopio de rayos X centrado en la observación de rayos X suaves que devolvería el espectrómetro de rayos X al espacio. ¿Pero la NASA se uniría a JAXA en otro intento?

No es sólo hardware

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“Significó mucho para nosotros que el profesor Tsuneta viniera y presentara la propuesta personalmente”, dijo Hertz, quien ocupó el cargo de Director de la División de Astrofísica de la NASA hasta 2022. “Este negocio, ya sabes, no se trata sólo de hardware. Hay mucha construcción de relaciones y asociaciones. Que el profesor Tsuneta trajera personalmente esta propuesta y explicara lo importante que seguía siendo la misión para JAXA, para él y la importancia de la asociación con la NASA en las misiones de recuperación… Y luego nos preguntó si nos asociaríamos con él. Esto… fue extremadamente significativo”.

La construcción de un nuevo espectrómetro de rayos X blandos es una tarea importante y la decisión no puede basarse únicamente en la solidez de la asociación internacional. Por otro lado, JAXA estaba trabajando en una nueva propuesta para el gobierno de Japón.

Objetivos de la misión:

• Estudiar la formación y evolución de las galaxias.
• Comprender los procesos que alimentan los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias.
• Estudiar los flujos de gas caliente que se encuentran en el espacio interestelar.
• Investigar los fenómenos astrofísicos extremos, como los estallidos de rayos gamma y las erupciones solares.

“Tuvimos que considerarlo increíblemente rápido porque el profesor Tsuneta había presentado un cronograma muy agresivo para presentar una propuesta al gobierno de Japón”, dijo Hertz. “Así que tuvimos que actuar muy rápido. Y lo hicimos”.

Tradicionalmente, los planes para una nueva misión de la NASA son presentados ante las Academia Nacional de Ciencias, donde el Comité de Astronomía y Astrofísica asesoraba sobre la prioridad científica de la nueva misión. Pero con poco tiempo, se podría buscar asesoramiento a través de la propia estructura de asesoramiento de la NASA. La primera parada fue el Subcomité de Astrofísica de la NASA. A partir de ahí, su recomendación podría pasar al Comité Científico de la NASA, quien consideraría el plan desde una perspectiva más amplia de todas las áreas científicas. Una recomendación exitosa llegaría entonces al Consejo Asesor de la NASA, que considera todos los programas de la NASA, incluidos los científicos, los vuelos espaciales tripulados, la aeronáutica y la Estación Espacial Internacional, y que asesora al administrador de la NASA.

“La NASA tuvo que superar tres desafíos antes de poder dar una respuesta”, explicó Hertz. “La primera era: ¿todavía valía la pena la ciencia? La segunda, ¿podríamos permitírnoslo? Y la tercera era ¿cómo podríamos garantizar el éxito conjunto de una misión de recuperación?

Sin dinero fresco

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La observación del cúmulo de Perseo capturada por ASTRO-H resolvió el primer desafío. Fue una prueba de que la tecnología funcionó y proporcionó un gran salto en sensibilidad y resolución en comparación con cualquier cosa que se hubiera logrado anteriormente. El interés de la comunidad científica siguió siendo importante y el tema se consideró tan candente como los rayos X emitidos por el gas de los cúmulos galácticos que detectaría la nueva misión.

Sabían que el Congreso de Estados Unidos no dispondría de dinero nuevo, la asequibilidad dependía de poder ajustar el coste de un nuevo instrumento al presupuesto de astrofísica existente. Había fondos reservados para las operaciones de ASTRO-H que ahora podían desviarse para su desarrollo y, lo que es más importante, todavía existía el equipo del Centro de Vuelos Espaciales Goddard que había diseñado el espectrómetro de rayos X blandos para ASTRO-H, con el conocimiento de cómo construir el instrumento.

El equipo en Goddard

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*“Mucho dependía del hecho de que teníamos un grupo fuerte en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard” (Goddard Space Flight Center, en inglés, recuerda Grunsfeld. “Teníamos un equipo que queríamos mantener intacto para trabajar en la tecnología de microcalorímetro [el detector espectrómetro]. Así que pudimos presentar argumentos sólidos de que ésta era un área en la que Estados Unidos lidera y Japón es un socio fundamental”.

Se contactó al equipo del Centro de Vuelos Espaciales Goddard y se le pidió que estimara el costo de recrear el espectrómetro de rayos X blandos.

“En Goddard recibimos una llamada telefónica de Paul Hertz”, dijo Clampin. “Vamos a hacer esto de nuevo. No quiero un nuevo experimento. Dame el mismo experimento y aquí está el cuadro de costos”.

Costos rechazados

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La primera estimación de costos presentada por el equipo del Centro de Vuelos Espaciales Goddard fue rechazada, con un firme recordatorio por parte de Hertz de que el diseño previamente aprobado (y muy exitoso) debería copiarse y los costos deberían mantenerse bajos.

“Existe una tendencia subyacente entre los científicos de que si les das la oportunidad de construir algo por segunda vez, hay cosas que quieren agregar porque lo mejorarán”, admitió Clampin. Propondrían “diferentes maneras de hacer esta o aquella prueba, porque eso lo haría más fácil o daría más información”.

El equipo de Goddard revisó la estimación de costos elemento por elemento, comparando los costos iniciales y la infraestructura que aún estaba en los laboratorios. El plan resultante estaba dentro de los fondos disponibles.

¿JAXA y NASA?

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El tercer desafío fue posiblemente el más difícil. ¿Cómo podrían la NASA y JAXA garantizar que esta próxima misión sea un éxito?

“Mi perspectiva sobre la exploración espacial es que es muy difícil”, señaló Grunsfeld. “Me gusta decirle a la gente en la fase de desarrollo del proyecto que no hay malas noticias. Cuando algo no pasa una prueba, no son malas noticias. Son sólo noticias”.

Según la amplia experiencia de Grunsfeld, muchos de los problemas que surgen durante las misiones se deben a ‘problemas de garantía de la misión’, que son innumerables comprobaciones y pruebas que intentan eliminar errores en el software y hardware de la nave espacial antes del lanzamiento. La NASA había aprendido que se invertía bien el tiempo en esta área y sentía que éste era un lugar donde podían aportar experiencia adicional.

“Para el renacimiento (de la misión sobre rayos X) queríamos ayudar en las tareas de aseguramiento de la misión”, explicó Grunsfeld. “Porque es una de las cosas en las que la NASA es muy buena”.

En la misión ASTRO-H, la NASA desarrolló el espectrómetro de rayos X blandos, pero no participó en otras áreas del desarrollo de la misión. Con el plan de realizar una nueva misión centrada en la observación de rayos X suaves, la NASA propuso que un equipo conjunto formado por ambas agencias espaciales pudiera contribuir a toda la ingeniería de sistemas y ser corresponsable del éxito del proyecto. El resultado fue una fusión de las prácticas de JAXA y NASA.

“Los equipos de la NASA y JAXA establecieron una relación muy profunda entre sí. Trabajaron muy bien juntos”, dice Hertz. “Nunca escuché a nadie dibujar líneas en la arena y decir ’esa es mi responsabilidad’. Tú mantente alejado”. Siempre fue información abierta, una relación abierta, para que todos pudieran aprender de la experiencia de todos. Ese fue el último impedimento para empezar”.

Al final, esa cohesión adicional entre los dos equipos resultaría particularmente valiosa al clausurarse los viajes en 2020, cuando la pandemia de coronavirus se extendió por todo el mundo.

El trabajo con las fronteras cerradas

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Una vez aprobado en la NASA el renacimiento de la misión, comenzaron los trabajos en Japón y Estados Unidos para construir el nuevo telescopio espacial de rayos X. La misión de recuperación fue bautizada “XRISM: Misión de espectroscopía e imágenes de rayos X”, y el espectrómetro de rayos X blandos obtuvo el nombre “Resolve”, que estaría acompañado por un generador de imágenes de rayos X blandos llamado “Xtend”.

*La estrecha colaboración entre los equipos de la NASA y JAXA significaba que existía el riesgo de que fueran necesarios muchos viajes entre EE. UU. y Japón. Esto fue emocionalmente difícil para los científicos que tendrían que estar lejos de sus familias durante largos períodos de tiempo, y también oneroso para la burocracia debido a las regulaciones sobre el tiempo que los empleados del gobierno de Estados Unidos pasan en el extranjero. Por lo tanto, los dos equipos establecieron instalaciones para el monitoreo remoto del hardware desde el extranjero. Cuando las fronteras fueron cerradas a raíz de la pandemia de COVID-19, el trabajo sobre XRISM pudo continuar en ambos países. Pero como en el resto de las actividades en el mundo, por entonces, fue un período difícil para la misión.

Más problemas, capítulo…

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“El COVID arruinó muchas cosas. Pero ciertamente llegó en un momento muy, muy malo para XRISM”, dijo Hertz. *“Pero como la tecnología para realizar tareas de forma remota había crecido mucho en los pasados diez años, para XRISM teníamos un sistema con el que podíamos continuar el trabajo desde Goddard. Entonces, cuando llegó la COVID, todos estábamos preparados para realizar trabajo remoto en la mayor medida posible. Funcionó muy bien… hasta que ocurrió la fuga de helio”**.

Cuando la nave espacial se acercaba a la finalización de los trabajos, ocurrió un problema que no se podía solucionar a distancia. Hubo una fuga de helio líquido que refrigeraba el espectrómetro de rayos X blandos. El problema no era enorme, pero para localizar la fuente fue necesario retirar temporalmente los filtros suministrados por la NASA. Una tarea extremadamente delicada para la que sólo unas pocas personas de la NASA estaban capacitadas y nadie en Japón estaba ansioso por intervenir el hardware ya dispuesto para el lanzamiento. La única solución era que el equipo estadounidense viajara a Japón.

Excepciones al bloqueo por COVID

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“Fue el primer viaje internacional que se permitió hacer a alguien en la NASA después del bloqueo”, recordó Hertz. “Tuvimos que crear un proceso para aprobar eso. Llegamos hasta el nivel más alto del gobierno de Estados Unidos para lograrlo”.

Las fronteras de Japón también estaban cerradas a los extranjeros, por lo que también se tuvo que solicitar un permiso especial al gobierno de Japón para permitir que el equipo viajara al archipiélago.

“Que obtuviéramos la aprobación en realidad indica lo importante de esta asociación para la NASA”, dijo Hertz. “Ambas naciones demostraron la importancia esencialmente escribiendo excepciones a las reglas que tenían vigentes durante el pico de la pandemia de COVID. Y eso fue increíble”.

Trajes de conejo y equipos aislados

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Para el equipo viajero las medidas de seguridad fueron elevadas. Una vez en JAXA, el trabajo se realizaría en una sala limpia y todo el personal usaría “trajes de conejo”. Esto tenía *el beneficio adicional de proteger a los investigadores contra el virus, así como a la nave espacial contra la contaminación. Sin embargo, para llegar a JAXA, los científicos de la NASA se pusieron ropa de protección personal para el vuelo y, una vez en Japón, tuvieron que permanecer en el campus de JAXA separados del cuerpo principal de investigadores.

“No puedo pensar en una prueba de estrés peor para una asociación que intentar construir una nave espacial durante la pandemia mundial”, dijo Clampin. “Y realmente salieron adelante con resultados brillantes, a veces teniendo que trabajar lejos de sus familias debido a las reglas y regulaciones relativas a la cuarentena. Realmente reconozco el trabajo del equipo tanto de Estados Unidos como de Japón para construir este instrumento”.

Y el clima también

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El lanzamiento de XRISM estaba previsto para finales de agosto de 2023. Pero, como suele suceder, el lanzamiento fue pospuesto para esperar a que mejoraran las condiciones meteorológicas. El retraso fue decepcionante para los espectadores. Con las fronteras ahora abiertas una vez más, Clampin, Hertz y Grunsfeld habían volado a Japón con la esperanza de ver el nuevo inicio de un telescopio que llevaba cuatro décadas en desarrollo. Desafortunadamente, tuvieron que regresar a los EE.UU. antes de que el tiempo mejorara.

“Estuve una semana, pero aún así no fue suficiente”, se lamentó Grunsfeld. “Aunque sí escalé el Monte Fuji. Fue mi segunda vez. Lo escalé en 1981, cuando vivía en Japón. Subí a la cumbre a las 2 de la madrugada y vi el amanecer”.

Grunsfeld ha estado involucrado en la astronomía de rayos X desde su época universitaria. Durante su estancia en Japón como investigador junior, había trabajado con datos de la misión Hakucho, el primer satélite de rayos X de Japón. Ahora, había ayudado a garantizar que el séptimo satélite con instrumento para los rayos X fuera al espacio.

¡Tenemos lanzamiento!

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Finalmente, el 7 de septiembre de 2023, llegó el lanzamiento de XRISM. La misión partió de la Tierra desde el Centro Espacial Tanegashima en el sur de Japón en el Vehículo de Lanzamiento No. 47 H-IIA. Hasta el momento de la publicación de este artículo, todas las operaciones de la nave espacial son nominales y el telescopio espacial se encuentra ahora en el período de puesta en servicio donde se verifican todas las funciones del satélite y los instrumentos.

“Creo que XRISM nos dejará boquiabiertos en casi todo lo que vea durante el primer año”, se anima Hertz. “Y luego, cuando comience a observar el segundo, tercer y cuarto ejemplos de diferentes sistemas, comenzaremos a apreciar los matices. Pero con el primer vistazo nos sorprenderemos por completo”, auguró.

¿Cuál es la nueva tecnología utilizada por XRISM?

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Para observar en rayos X, es necesario ‘apuntar’ los fotones entrantes hasta un punto focal, tal como ocurre con un telescopio óptico. Sin embargo, es imposible enfocar los rayos X con un espejo convexo de vidrio normal debido a su corta longitud de onda y su alto poder de penetración. Entonces, ¿cómo?

Los telescopios de rayos X pueden recolectar los rayos X hasta un punto focal mediante un fenómeno llamado reflexión interna total. Este fenómeno ocurre cuando un fotón de rayos X incide en un espejo, hecho de un material con un alto índice de reflexión, en un ángulo poco profundo. Por ejemplo, si uno está bajo el agua y mira hacia la superficie, no sólo se ve el cielo desde arriba, sino que la superficie del agua, aparte de nosotros, se refleja en el agua como un espejo. Esto se debe a que la luz no pudo atravesar la superficie del agua y regresó al interior del agua porque la atmósfera tiene un índice de reflexión más bajo.

Como vemos con el límite en la superficie entre el agua y el aire, los rayos X pueden reflejarse totalmente internamente cuando inciden sobre una superficie muy lisa con un ángulo de incidencia rasante poco profundo. Utilizando esta propiedad. Así es cómo lo hace un telescopio de rayos X. De hecho, el espejo de rayos X está formado por finas carcasas cónicas alineadas concéntricamente, como un ‘Baumkuchen’, con una capa de oro en la superficie interior. La superficie está pulida y es tan plana que cualquier rugosidad es inferior a una millonésima de milímetro.

Medición ultraprecisa de energías mediante el microcalorímetro

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Un microcalorímetro es un instrumento para medir las energías de los fotones de rayos X aprovechando el hecho de que la temperatura aumenta ligeramente cuando un rayo X incide en sus elementos. Fue desarrollado por un equipo colaborativo de Japón y Estados Unidos y se espera que sea un nuevo instrumento de observación que lidere la próxima generación de astronomía de rayos X. Es posible medir la energía entrante de un fotón de rayos X; en otras palabras, se puede medir la longitud de onda con mucha precisión utilizando el microcalorímetro. Este instrumento permite medir con precisión la temperatura o la composición de un objeto de rayos X observado. Y utilizando el ’efecto Doppler’, podemos detectar el movimiento de la fuente objetivo. Ahora se encuentran disponibles mediciones que nunca habían sido posibles en longitudes de onda de rayos X. El principio de un microcalorímetro es muy sencillo. Cuando el instrumento observa rayos X, la energía del fotón de rayos X se transforma en calor. Este es el mismo fenómeno por el cual la materia se calienta cuando se expone a la luz. La cantidad de energía del fotón de rayos X se puede medir midiendo el cambio de temperatura en el detector. Sin embargo, los rayos X de fuentes celestes son muy débiles y los aumentos de temperatura en el instrumento son tan pequeños que el instrumento necesita enfriar su temperatura cerca del cero absoluto. Se necesitan termómetros con una sensibilidad extremadamente alta.

Captura de imágenes de los rayos X

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Al igual que los generadores de imágenes ópticas, una cámara CCD de rayos X recopila las fuentes de los rayos X y produce la imagen correspondiente. La teoría principal no es muy diferente de la de una cámara digital común. Múltiples semiconductores pequeños están dispuestos en serie, convirtiendo los rayos X en electrones y luego en señales eléctricas que producen una imagen final. En la luz óptica, se emite un electrón por fotón. Sin embargo, en el caso de los rayos X y debido a la naturaleza de los fotones de rayos X de alta energía, se emiten múltiples electrones por cada fotón de rayos X. Como resultado, es posible medir las energías de fotones de rayos X individuales midiendo el número de electrones emitidos, que es proporcional a la energía del fotón. Usando esta propiedad, podemos medir el ‘color’ de cada fotón de rayos X sin usar filtros de color comúnmente utilizados en imágenes ópticas.

Ciertos datos de la misión XRISM

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La nave espacial XRISM fue lanzada en un cohete H-IIA a la órbita terrestre baja (a una altitud de 550 km). El instrumento Resolve utiliza helio líquido para enfriar el espectrómetro de rayos X. El helio líquido se evaporará en 3 años. Por lo tanto, la vida útil del instrumento es de 3 años, aunque es posible seguir la observación posteriormente con refrigeradores mecánicos.

Los instrumentos de la misión son: - Resolve (Espectrómetro de rayos X suaves) y Xtend (Capturador de imágenes de rayos X suaves)

• La masa de XRISM es de 2,3 toneladas.
• XRISM fue diseñado para una vida útil de 3 años. Design life
• Orbita la Tierra a una altitud de 550 +/- 50 kilómetros, con una inclinación de 31 grados.