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Astrofísica de laboratorio con el láser de rayos X más potente del mundo


ROSALIA CID
– En un artículo previo ya hablamos de los láseres y dijimos que se caracterizan por emitir un haz de “luz” intenso y muy coherente (visible o no, según el rango de energía en el que opere). Recordemos que con coherencia nos referimos a monocromaticidad (un solo “color” o más generalmente, una única energía o longitud de onda, pues ambas se interconectan) y “sincronización” entre los fotones que componen el haz.

El espectro electromagnético

 

Allí sólo explicamos el mecanismo de emisión estimulada que produce la coherencia en el láser convencional, pero éste no es el único modo de conseguirla (aunque sí el que garantiza la mayor coherencia). De hecho, ya mencionamos la existencia de un tipo de láser gigantesco denominado láser de electrones libres (FEL), donde el haz coherente se obtiene por un mecanismo totalmente distinto. El FEL utiliza un haz de electrones libres (no ligados a ningún átomo) que se mueven a velocidades relativistas a lo largo de una estructura periódica de imanes llamada ondulador porque hace que estos electrones sigan trayectorias ondulatorias o sinusoidales. La razón de este serpenteo está en que el electrón es una partícula con carga eléctrica y desde hace más de un siglo sabemos, gracias a Lorentz, cómo los campos magnéticos curvan las trayectorias de las partículas cargadas en movimiento. Además, cuando una partícula cargada es acelerada (o su trayectoria se hace cambiar de dirección, pues eso no es más que otro tipo de aceleración), ésta emite un cono de radiación que se conoce como radiación sincrotrón (como si fueran vehículos en mitad del tráfico, que al girar encienden el intermitente). Esta radiación también se produce de manera natural en ciertos objetos cósmicos donde existen electrones muy veloces sometidos a intensísimos campos magnéticos como en las explosiones de supernova, los púlsares o las radiogalaxias. Ahora bien, aunque en principio los electrones radiarían de manera independiente, la interacción de la radiación emitida con las oscilaciones de los electrones, como si de un sistema cooperativo se tratase, provoca que éstos se separen en “micropaquetes” y radíen de manera sincronizada, lográndose así pulsos de radiación extraordinariamente intensos y coherentes. ¡Tenemos un láser sin necesidad de excitar transiciones atómicas!

La gran ventaja de este sistema es que la energía o longitud de onda del láser no es una fija, sino que se puede modular al gusto sin más que variar la energía de los electrones o el campo magnético de los imanes del ondulador. El gran inconveniente es su coste y falta de manejabilidad, pues aunque ya es considerable el tamaño de los onduladores (en torno a unos 100 metros), acelerar los electrones a velocidades relativistas requiere de aceleradores de varios kilómetros.

Cuando, como en el Linac Coherent Light Source (LCLS) del SLAC National Accelerator Laboratory en EEUU, se alcanzan energías tan altas (o longitudes de onda tan cortas) como las de los rayos X, en vez de FEL a secas, hablamos de XFEL. Como ya comentamos en el artículo anterior, el LCLS lleva operativo desde 2009 y es, a día de hoy, el láser de rayos X más potente del mundo. Sus pulsos ultrarrápidos son mil millones de veces más intensos que los de otras fuentes previas de rayos X como los sincrotrones, a los cuales también dedicaremos una futura entrega.

En los menos de dos años que lleva funcionando, el potencial del LCLS (y los XFEL en general) resulta cada día más prometedor. Sin ir más lejos, el año pasado permitió reconstruir las primeras imágenes de macromoléculas biológicas en 3D como virus o proteínas. Ahora, un grupo de científicos ha utilizado el potentísimo haz LCLS para crear y estudiar “materia densa caliente” a partir de papel aluminio a una temperatura de nada más y nada menos que 2 millones de grados. El proceso tuvo lugar en apenas una billonésima de segundo y el pasado mes de enero se publicaba el trabajo en la prestigiosa revista Nature.


Hasta ahora los científicos habían conseguido crear ese plasma a partir de gases y estudiarlo con láseres comunes”, comentaba uno de los autores del estudio, Bob Nagler, del SLAC, “pero no se disponía de herramientas que permitieran hacer lo mismo con densidades sólidas que no pueden ser penetradas por los rayos láser convencionales. El LCLS, con su longitud de onda ultra-corta de rayos X, es el primer instrumento que puede penetrar un sólido denso y crear un ‘parche’ uniforme de plasma –en este caso un cubo de una milésima de centímetro de lado– y probarlo al mismo tiempo«, señalaba.

Muchos lectores se preguntarán cuál es el interés de semejante hito, por muy sofocados que nos deje dicha temperatura, y les diré que esta hazaña abre una interesantísima puerta para la comprensión de los procesos de fusión termonuclear que tienen lugar en el interior de las estrellas o el comportamiento de la materia en el interior de los planetas gigantes. ¿Por qué? Pues porque es en estos lugares donde la naturaleza resulta tan extrema como para que la materia, confinada por la inmensa gravedad de estos objetos, alcance enormes densidades y millones de grados de temperatura. Es este confinamiento, junto con la elevada temperatura, lo que permite que los núcleos de los átomos de hidrógeno -que por tener todos carga positiva, se repelerían entre ellos- colisionen y se fusionen, desprendiendo una gran energía en el proceso. De este modo las estrellas, como dirigidas por el espíritu fauvista de Matisse, se convierten en artistas del oscuro lienzo cósmico, pintándolo de luz y calor.

Ahora parece que, por primera vez, quizá seamos capaces de construir un “astrolaboratorio” en la Tierra y recrear las condiciones del interior de las estrellas, responsables de los procesos que las hacen brillar.

Más info: La escala del Universo – Animación de Cary y Michael Huang

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