Japón desarrolla el telescopio de rayos X más preciso para misión espacial conjunta con Estados Unidos

El telescopio representa un hito en la astronomía de rayos X japonesa al superar dos obstáculos técnicos históricos: la fabricación de espejos con precisión nanométrica y su integración sin pérdida de precisión óptica durante el ensamblaje. Los hallazgos fueron publicados en Publications of the Astronomical Society of the Pacific.

Los rayos X emitidos por erupciones solares, estrellas en explosión y materia alrededor de agujeros negros contienen información sobre los procesos más violentos y de mayor temperatura del universo, pero la atmósfera terrestre los absorbe antes de que lleguen al suelo, según explicó la universidad. Por esta razón, los instrumentos deben viajar al espacio en globos, cohetes sonda o satélites.

La tecnología de espejos proviene de SPring-8, una de las instalaciones de investigación de rayos X más potentes del mundo, ubicada en la prefectura de Hyogo, Japón. Su acelerador de partículas produce haces de rayos X extremadamente brillantes, conocidos como radiación sincrotrón, para investigación científica. Los científicos de SPring-8 habían desarrollado técnicas de fabricación de espejos extremadamente precisas para enfocar esos haces, las mismas que el equipo de investigación utilizó para construir el espejo del telescopio espacial.

"El espejo es como un embudo muy preciso para los rayos X. Si alguna parte del embudo está aunque sea ligeramente fuera de lugar, los rayos X fallan su objetivo y la imagen se difumina", dijo Ikuyuki Mitsuishi, autor principal y líder del proyecto de la Escuela de Posgrado de Ciencias de la Universidad de Nagoya. "También debe sobrevivir las intensas vibraciones del lanzamiento de un cohete sonda mientras mantiene su precisión óptica".

Los investigadores utilizaron una técnica de electroformado de precisión de SPring-8 para producir un espejo de níquel de 60 milímetros de diámetro y 200 milímetros de altura. A diferencia de los espejos construidos con múltiples piezas, este espejo fue fundido como una sola carcasa sin costuras, por lo que no había juntas o uniones que pudieran desviar los rayos X del punto focal, y nada podía moverse fuera de lugar, según la universidad.

El proyecto reunió dos áreas de experiencia muy diferentes: el equipo de astronomía, liderado por investigadores de la Universidad de Nagoya, trabajó en el diseño óptico y el desafío de integrar el espejo en un ensamblaje de telescopio listo para el espacio. Un equipo de la comunidad de radiación sincrotrón, incluyendo miembros de SPring-8 así como investigadores de universidades e industria, fue responsable de la fabricación precisa del espejo y la construcción del sistema de pruebas en tierra.

Antes del lanzamiento, los investigadores tuvieron que demostrar que el telescopio funcionaba en tierra, pero esto creó un problema: para probar un telescopio espacial correctamente, se necesita simular la luz estelar, y la luz estelar llega desde tan lejos que sus rayos son casi perfectamente paralelos cuando alcanzan la Tierra. Recrear eso en tierra es extremadamente difícil, según la universidad.

El equipo de investigación resolvió esto construyendo un sistema de pruebas en SPring-8. Una fuente de rayos X muy pequeña, de solo 10 micrómetros de ancho, fue colocada a 900 metros de distancia del espejo. A esa distancia, los rayos X permanecieron paralelos e imitaron de cerca los rayos que llegan de una estrella real.

"Es el primer sistema en tierra capaz de evaluar con precisión el rendimiento de telescopios espaciales de rayos X de alta resolución en energías de rayos X duros, y está disponible para investigadores de todo el mundo que quieran desarrollar y probar tecnología similar", dijo Ryuto Fujii, primer autor y ex estudiante de maestría.

FOXSI es un experimento colaborativo de cohete sonda, un pequeño cohete que lleva instrumentos brevemente al espacio. Está diseñado para capturar imágenes de rayos X de la corona solar y erupciones. El programa se lanzó por primera vez en 2012 y su quinto vuelo está programado para 2026, según la universidad.

El telescopio fue uno de siete telescopios de rayos X a bordo de FOXSI-4, que se lanzó desde Alaska el 17 de abril de 2024 y observó exitosamente una erupción solar en progreso. Mitsuishi y sus estudiantes estuvieron presentes en el lanzamiento. Para el equipo de investigación, este fue un momento histórico, la primera vez que un telescopio de rayos X japonés de alta resolución desarrollado domésticamente había volado como parte de una misión internacional de cohete sonda.

Los investigadores también identificaron el principal factor que limita mejoras adicionales en la nitidez: imperfecciones diminutas a lo largo de la superficie del espejo. Esto les da un objetivo claro para mejorar en futuros espejos, según la universidad.

Una versión mejorada del telescopio está programada para volar en la misión FOXSI-5. El objetivo a largo plazo es la miniaturización. El equipo de investigación busca reducir la tecnología del espejo para que quepa dentro de CubeSats, satélites del tamaño aproximado de una caja de zapatos. La óptica de rayos X de alta resolución aún no ha volado en CubeSats. Si tiene éxito, esta tecnología podría hacer las observaciones espaciales de rayos X mucho más accesibles y abrir un nuevo capítulo en la astronomía compacta de rayos X, según la universidad.

La investigación fue financiada por las Becas de Ayuda para Investigación Científica (KAKENHI) de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS) bajo los números de subvención JP22K18274, JP20K20920, JP23H00156, JP22H00134 y JP21KK0052, y JST SPRING (número de subvención JPMJSP2125). Se recibió apoyo adicional del programa ISAS para proyectos de pequeña escala, Fundación de Becas Iwadare, Fundación de Becas Yokoyama, Fundación Internacional de Becas Hattori (HISF) y el Programa THERS Make New Standards para Investigadores de Próxima Generación.