¿Por qué los telescopios de rayos X tienen que estar en el espacio?

Los rayos X (y los rayos gamma) son bastante penetrantes. Pueden atravesar materia sólida con mucha menos atenuación que la luz visible, por ejemplo.

Pero eso no significa que la atenuación sea cero. Ponga suficientes "cosas" en el camino, y la energía eventualmente se dispersará o absorberá. En el caso de la atmósfera, es "solo" aire, pero hay bastante. La profundidad de la atmósfera es suficiente para detener casi toda la radiación UV/X/gamma.

De hecho, la atmósfera bloquea la mayoría de los tipos de radiación EM. Pero nuestros ojos solo ven la transparencia en la luz visible.

Las pequeñas moléculas que componen la mayor parte de la atmósfera ($N_2$,$O_2$,$Ar$) requieren mucha energía para excitarse. Resulta que la luz visible está apenas por debajo de la energía para hacer esto de manera eficiente, por lo que las interacciones son muy raras. Formas más energéticas (incluidos los rayos X) pueden ionizar estas moléculas, absorbiendo o dispersando la radiación. Dada una capa lo suficientemente gruesa, se elimina casi toda la radiación entrante.

Para ampliar muy ligeramente la respuesta de BowlofRed : los fotones de rayos X interactúan con los electrones. Más electrones en un átomo significan más interacciones, y más interacciones significa menos penetración. En términos generales, esto significa que cuanto más pesado es el átomo, más electrones tiene y más difícil es para un fotón de rayos X pasar a través de un trozo sólido sin dispersarse o absorberse. Por eso el plomo es tan eficaz como escudo contra los rayos X.

Para hacer un buen escudo contra los rayos X a partir de átomos con menos electrones, solo usa una capa más gruesa de ellos para hacer el trabajo. En este sentido, una columna de aire de ~50 millas de profundidad es tan buena como una buena losa gruesa de plomo sólido.

¿El agua es transparente? Lo parece en un vaso, pero un kilómetro de agua es casi opaco. El océano profundo es oscuro. El aire a presión atmosférica es igualmente opaco a los rayos X en una escala de kilómetros. Es incluso más opaco para las radiografías "suaves" de longitud de onda larga, en las que su opacidad en una mesa de laboratorio puede causarle problemas.

Pero para los rayos X "duros" de longitud de onda corta, no es necesario viajar hasta el espacio. Si su telescopio está por encima del 99% de la atmósfera, en la estratosfera superior, podrá funcionar. En los primeros días de la astronomía de rayos X, hacíamos gran parte del trabajo desde globos estratosféricos.

Para rayos X típicos de 20 keV, encontré un coeficiente de atenuación de densidad de 0,0757 m²/kg en el aire. Considerando una densidad de aire típica de 1,2 kg/m³, esto da un coeficiente de atenuación de 0,09 m⁻¹. El inverso de eso, alrededor de 11 metros, le da la distancia, después de lo cual un haz de rayos X de 20 keV se atenúa a e⁻¹ de su intensidad original. Tomar 100 veces esa distancia (1,1 kilómetros) da como resultado una atenuación de e⁻¹⁰⁰. Eso es un número, que comienza con cero y tiene más de 40 ceros más después del punto decimal, antes de que llegue otro dígito. Por lo tanto, es seguro decir que la atmósfera es totalmente intransparente a los fotones de 20 keV.

A 100 keV, el coeficiente de atenuación de la densidad del aire se reduce a 0,0155 m²/kg. Por tanto, la longitud media para una atenuación de 1/e aumenta hasta unos 50 metros. Eso todavía no es suficiente para "ver" esos rayos X duros / rayos gamma suaves a través de la atmósfera.

A 10 MeV, el coeficiente se reduce aún más a 0,00205, lo que da una distancia 1/e de unos 400 metros. Entonces, nuevamente, prácticamente todos esos rayos gamma son absorbidos por la densa atmósfera entre el nivel del suelo y los 3000 metros de altura. A 11 km sobre el suelo, la cabeza de vuelo típica de las aeronaves, la densidad del aire se reduce a 0,36391 kg/m³, lo que da como resultado una atenuación de 1/e para un haz de 10 MeV de 1340 metros. Eso le da un pequeño cambio para ser golpeado por cuantos gamma de 10 MeV, que viajan hacia la Tierra desde el espacio exterior, o que se generan a partir de partículas del viento solar, que golpean la atmósfera exterior a una altitud de 25 km o más.

En el legendario Concorde, con una altura de vuelo de 18 km y una densidad del aire circundante de solo 0,1 kg/m³, la longitud 1/e aumenta aún más hasta casi 5 kilómetros. Como el aire también se diluye rápidamente a mayor altitud, esos cuantos de 10 MeV que vienen desde arriba y se dirigen directamente hacia abajo tienen una alta probabilidad de llegar al Concorde y sus pasajeros. La buena noticia: al ser tan enérgicos, la mayoría de esos cuantos de 10 MeV simplemente llegarán y no depositarán mucha energía en el avión y sus pasajeros.

Las partículas de energía TeV son lo suficientemente fuertes como para penetrar la atmósfera y tocar el suelo. Pero como esas partículas son raras, los golpes directos a los contadores en la superficie también son muy raros. Pero a medida que penetran en la atmósfera, depositan energía constantemente, concretamente a través de la radiación de Czerenkov, y esa energía se puede medir durante la noche. Esto hace que la atmósfera terrestre sea básicamente un enorme contador Czerenkov para partículas cósmicas de TeV.

Los buenos comienzos de lectura están aquí: https://arxiv.org/abs/astro-ph/0701766 https://www.hawc-observatory.org/science/detection.php

Entonces, sí, ALGUNA radiación cósmica se puede detectar a través de la atmósfera a nivel del suelo. Pero para los rayos X y los rayos gamma de energía baja a media, la atmósfera no es transparente y uno tiene que ir al espacio (oa globos que vuelan muy alto) para medirlos.