Astronomía de rayos gamma
Cuando miramos al cielo durante una noche clara y sin luna, lo primero que apreciamos son las estrellas. Miles de ellas esparcidas por todo el firmamento. Lamentablemente, nuestra vista es limitada, evitando que observemos más detalles de dichos astros y del propio universo. En el espacio exterior existe una gran cantidad de sucesos y objetos que escapan a nuestra vista, algunos de ellos porque son muy tenues y otros debido a que emiten luz invisible. En el Sol, por ejemplo, ocurren varios de estos procesos (ver fig. 1).
Fig. 1. El Sol visto en luz visible (izquierda) y en luz ultravioleta (derecha). En luz UV se aprecian detalles en el Sol que no pueden observarse con la luz visible. Las imágenes fueron tomadas por el satélite SOHO de la NASA. (Imágen: SOHO, ESA & NASA).
Sólo para comprobarlo. Cuando nos exponemos al Sol, sentimos de inmediato su calor. Dicho calor proviene del Sol y viaja a nuestro planeta transportado por la luz infrarroja, que no se puede ver, pero sí sentir.
De todas las formas de luz conocidas, esto es, ondas de radio, microoondas, infrarroja, visible, UV, rayos X y rayos gamma, es la radiación gamma la más energética y extrema de todas. La misma se produce sólo en procesos muy energéticos y violentos en el universo en donde intervienen, principalmente, la aceleración o desaceleración de partículas cargadas, el choque de partículas de muy alta energía con la materia y la desintegración de partículas inestables. También suelen producirse en encuentros ocasionales entre partículas de materia y antimateria. Se cree, por ejemplo, que los de más alta energía se producen al acelerar electrones en campos magnéticos muy intensos, o bien, cuando partículas cargadas, como electrones o rayos cósmicos1, son desviados de sus trayectorias originales. Además, suelen producirse cuando los rayos cósmicos de alta energía chocan con el gas y polvo que se encuentran a su paso en su viaje por el universo o al escapar de su fuente. Incluso se especula que podrían estarse produciendo gracias a la desintegración o aniquilación de la así denominada materia oscura, la cual se cree estaría formada por partículas muy exóticas y muy penetrantes predichas por modelos de nueva física.
En astronomía, los científicos estudian los rayos gamma como herramienta para fines muy diversos. Como ejemplo, para develar los rincones más energéticos del cosmos, buscar eventos cataclísmicos que ocurren en el espacio exterior, encontrar aceleradores naturales de partículas de muy alta energía en el universo, descubrir nuevos objetos astrofísicos, buscar la fuente y mecanismo de aceleración de los rayos cósmicos, estudiar la materia en condiciones extremas (no alcanzables en la Tierra) con objeto de poner a prueba las leyes de la física y las nuevas teorías físicas, indagar el origen de los neutrinos2 de alta energía que provienen del espacio exterior, investigar la intensidad de la radiación cósmica en distintos rincones del universo, etcétera. La lista es larga y las aplicaciones numerosas. Todas ellas forman parte de lo que se conoce como astronomía de rayos gamma. Su origen es reciente y se remonta hasta 1961 cuando se puso en órbita el Explorer XI, el primer satélite espacial con un detector de rayos gamma a bordo, dedicado a la observación del cielo. Desde entonces varios detectores de rayos gamma han sido puestos en órbita alrededor de la Tierra. Lamentablemente estos instrumentos tienen la gran desventaja de que a muy altas energías, de un billón de veces la de la luz visible, captan pocos eventos. Esto se debe a que, en este caso, el flujo de rayos gamma es muy bajo y el tamaño de los instrumentos no es lo suficientemente grande como para compensarlo. Para estudiar entonces los rayos gamma de más alta energía se recurre a otras técnicas de observación llamadas indirectas.
Detección indirecta de rayos gamma
Cuando los rayos gamma llegan a la Tierra proveniente del espacio exterior son absorbidos, para nuestra fortuna, por la atmósfera terrestre antes de que lleguen al suelo. Como la energía no se crea ni se destruye, la energía absorbida es transformada mediante una cadena de reacciones físicas en una fina lluvia de partículas secundarias, de menor energía, que viajan en forma compacta a velocidades cercanas a la de la luz. A esta lluvia se le llama cascada o chubasco atmosférico de partículas. Su tamaño y contenido de partículas es variable. Se sabe, por ejemplo, que los rayos gamma de más alta energía detectados al momento pueden producir chubascos atmosféricos que llegan a cubrir decenas de metros cuadrados y, además, contener decenas de miles de partículas, la mayor parte de las cuales corresponde a electrones y rayos gamma secundarios de baja energía.
Para observar rayos gamma de origen astrofísico y de muy alta energía, los científicos se valen de la observación de los chubascos de partículas. Este método de detección se le denomina indirecto, porque no se observa realmente el paso del rayo gamma original, sino su efecto en la atmósfera. Ahora bien, la observación del chubasco se realiza desde la superficie terrestre y se logra mediante el empleo de dispositivos tecnológicos muy sofisticados llamados detectores de partículas. Estos instrumentos se encargan de entregar una señal visible al paso de las partículas del chubasco.
En general, los observatorios de cascadas atmosféricas de partículas se componen de redes inmensas de detectores. Los hay de varios tipos dependiendo de la técnica de detección empleada. Una técnica común se basa en colectar la tenue luz azul emitida en el aire al paso de las partículas cargadas más energéticas del chubasco (ver fig. 2). A esta luz se le conoce como luz Cherenkov3. Los detectores basados en este principio se les llama Telescopios Cherenkov de visualización atmosférica (IACT, por sus siglas en inglés) y son muy precisos, sin embargo, sólo pueden ser utilizados en noches claras y sin luna, y únicamente pueden observar pequeñas porciones del cielo a la vez. A esta clase de observatorios pertenecen HESS, localizado en Namibia; VERITAS, ubicado en Arizona, Estados Unidos; y MAGIC, construido en las islas Canarias.
Fig. 2. Los IACT detectan la luz Cherenkov azul emitida en el aire al paso de los chubascos atmosféricos de partículas generados por rayos gamma de alta energía. (Imágen:Colaboración H.E.S.S.)
Otra técnica de detección se basa en registrar la luz Cherenkov que producen las cascadas al atravesar depósitos de agua. A los detectores que emplean esta técnica de observación se les da el nombre de Detectores Cherenkov de agua y a pesar de que no son tan precisos como los IACT, tienen la ventaja de que pueden trabajar tanto de día y de noche, independientemente de las condiciones meteorológicas, y observar simultáneamente grandes porciones del cielo. Actualmente, uno de los observatorios Cherenkov de agua más avanzados y sofisticados de rayos gamma de alta energía es HAWC (ver fig. 3), construido y operado en México por científicos mexicanos y de Estados Unidos. Este detector está diseñado para estudiar rayos gamma de las más altas energías, específicamente, entre uno y cien billones de veces más energéticos que la luz visible.
Fig. 3. HAWC detecta los chubascos de partículas generados por los rayos gamma y los rayos cósmicos en la atmósfera. (Imágen: Colaboración HAWC.)
El observatorio de rayos gamma HAWC
HAWC (Observatorio Cherenkov de agua de gran altitud, por sus siglas en inglés) está localizado en el Volcán Sierra Negra, en el estado de Puebla, muy cerca del pico de Orizaba. El sitio está ubicado a una altitud de 4100 m sobre el nivel del mar. El observatorio está formado por una red muy compacta de 300 detectores de agua Cherenkov que cubre una superficie de 150 m x 150 m de lado, tres veces más grande que una cancha de fútbol soccer (ver fig. 4).
Fig. 4. El observatorio HAWC con sus 300 detectores Cherenkov de agua. En medio del arreglo se aprecia el edificio que alberga la electrónica del observatorio. Al fondo se observa el volcán Sierra Negra. (Imágen: Colaboración HAWC).
Cada detector no es sino un inmenso tanque de casi 5 m de altura y 7 m de diámetro en la base, dentro del cual hay 180,000 L de agua pura (hay tanta agua en todos los tanques del observatorio que de él se llenarían 54 millones de botellas de 1 L). En este medio los chubascos de partículas emiten luz Cherenkov, misma que es captada por cuatro sensores electrónicos (fotomultiplicadores) que se ubican en el fondo del tanque (ver fig. 4).
Analizando la luz emitida por los chubascos de partículas en los detectores y el tiempo en que se realizó la detección, se reconstruye la energía del rayo gamma original y su dirección de llegada. Esto se logra usando computadoras que procesan y analizan los datos a gran velocidad. Combinando la dirección de llegada de todos los eventos de rayos gamma observados, se crea un mapa del cielo que nos muestra como se ve el universo empleando a través de esta ventana astronómica.
HAWC comenzó a ser construido en marzo del 2012 y fue completado hasta finales de marzo del 2015. Con los 300 detectores Cherenkov trabajando, HAWC capta más de 25 mil chubascos por segundo, lo que requiere más de un Terabyte diario en almacenamiento de datos. A un año de operaciones, el observatorio ha colectado cerca de 800 mil millones de eventos, equivalente a un Petabyte. Para tener una idea de este volumen de datos, una canción en formato MP3 que se guarda en un dispositivo móvil, como un celular, tiene un tamaño de unos cuantos megabytes. Si este fuera de, digamos, 4 megas, en un Petabyte cabrían cerca de 250 millones de canciones, y si cada canción durará cuatro minutos, tardaríamos en escucharlas casi dos mil años.
El campo de visión del observatorio es fijo, pero no es un inconveniente, ya que es muy amplio. Este cubre 45 grados respecto al cenit. Además, a medida que la Tierra rota, el campo de visión del observatorio barre la esfera celeste, cubriendo las 2/3 partes de ella en un día sideral. Esto es suficiente para observar gran parte de la Vía Láctea y estudiar diversos objetos astronómicos de gran interés ubicados en el hemisferio norte.
El universo a muy altas energías visto con HAWC
Para estudiar el cosmos a muy altas energías, se necesita acumular pacientemente los registros de los rayos gamma que ocasionalmente llegan a la Tierra. Esto requiere de observaciones largas y continuas del cielo. El problema radica en que los rayos gamma no se reciben tan frecuentemente como otras formas de radiación que llegan del cielo, como la luz visible o los rayos cósmicos. HAWC, no es la excepción. Se tuvo que esperar casi un año para generar el primer mapa detallado del universo en rayos gamma de las más altas energías (ver fig. 5). El mapa muestra varias fuentes de rayos gamma de alta energía distribuidas a lo largo de nuestra propia galaxia, y otras, de origen extragaláctico.
Fig. 5. Mapa parcial del cielo obtenido con rayos gamma de muy alta energía empleando el observatorio HAWC durante 340 días de monitoreo (de noviembre de 2014 a noviembre 2015). Se aprecian varias fuentes de alta energía. Algunas constelaciones se muestran como referencia.
Son cerca de 40 las fuentes galácticas que han aparecido en este primer mapa celeste tomado por HAWC (ver fig. 6). La mayor parte de las fuentes ha sido asociada con algún objeto astronómico, mientras que el resto aún espera ser identificado. Entre los objetos galácticos identificados como fuentes de rayos gamma de altas energías se encuentran remanentes de Supernova, nebulosas iluminadas por pulsares4 y sistemas binarios de estrellas con agujeros negros.
Fig. 6 Acercamiento del plano galáctico en el mapa celeste obtenido po HAWC. Se puede observar varias fuentes de rayos gamma de muy altas energías.
Una de las más fuentes galácticas más intensas que se observa en el mapa es la nebulosa del Cangrejo, formada por los restos de una supernova que aconteció en el 1054 D.C. La observación de rayos gamma proveniente de esta nebulosa parece indicar la existencia de un acelerador cósmico de partículas cargadas en su interior de naturaleza aún desconocida. Por otra parte, uno de los objetos galácticos que ha llamado la atención es una nebulosa extendida en la dirección del pulsar Geminga. Esta fuente ya había sido reportada por el antecesor de HAWC, el observatorio MILAGRO, pero no había sido posible confirmarla con los IACT debido a su limitado campo de visión. Es probable que existan más de estas fuentes galácticas en el cielo y con HAWC será posible averiguarlo.
Otro aspecto interesante del mapa celeste de HAWC es la presencia de fuentes de rayos gamma de muy altas energías, no conocidas anteriormente. Cerca de la cuarta parte de todas las fuentes observadas por HAWC pertenece a la categoría anterior y es posible que el número se incremente al acumular mayor tiempo de observación con el detector.
Por otra parte, con las observaciones sensibles de HAWC también se han revelado nuevos detalles de algunas fuentes ya conocidas. Por ejemplo, en el caso de la fuente de la región del Cisne5, HAWC reveló lo que parecen ser tres fuentes individuales (ver fig. 7). Al parecer este sitio es más complejo de lo que se esperaba.
Fig. 7. Ampliación de la región de Cygnus en el mapa celeste obtenido por HAWC. Para darnos una idea del tamaño que ocupa esta región en el cielo, ésta se compara, a la misma escala, con el tamaño aparente de la Luna (círculo blanco grande).
En el mapa celeste de HAWC también aparecen dos objetos extragalácticos. Su posición coincide con la de dos blazares muy cercanos a la Tierra. Estos son Markarian 501 y 421, respectivamente. Los blazares son objetos fascinantes. Son astros que emiten una gran cantidad de energía. Se cree que pertenecen a una clase especial de galaxias que arrojan chorros potentes de radiación, en forma de luz y partículas energéticas, al espacio exterior, pero con la característica especial que uno de esos chorros apunta hacia la Tierra. Se cree que el responsable de esta actividad son agujeros negros supermasivos6 albergados en sus centros que devoran enormes cantidades de materia. Al momento no se sabe el mecanismo preciso que lleva a la producción de rayos gamma en los blazares, pero se espera que con HAWC se pueda aprender algo al respecto.
Entre las claves que se pueden estudiar para comprender los mecanismos que operan dentro de las fuentes de muy alta energía observadas por HAWC se encuentran la distribución de energía de los rayos gamma provenientes de los objetos estudiados y la variabilidad de la intensidad de la luz gamma observada. La distribución de energía (o espectro de energía como se le conoce) es sensible, por ejemplo, al tipo de partículas aceleradas dentro de la fuente, mientras que la variabilidad de la intensidad de la luz gamma detectada nos puede dar una idea del tamaño del sitio donde se produce la radiación de muy alta energía. Estos estudios se están llevando a cabo actualmente en HAWC. Una de las observaciones más interesantes al respecto ha sido la observación de un destello muy intenso en Markarian 501 que duró varias horas el pasado 6 de abril del 2016.
Otros estudios astrofísicos realizados con HAWC
Al momento se están realizando diferentes análisis con los datos colectados al momento en HAWC. Algunos de ellos, por ejemplo, se están enfocando en la detección de los así denominados Estallidos de Rayos Gamma (GRB, por sus siglas en inglés), los cuales nunca han sido observados con un detector Cherenkov de agua. También se están estudiando rayos cósmicos de altas energías, los cuales son muy abundantes. En particular, se están creando mapas celestes con ellos y se está midiendo su espectro de energía.
Por otra parte, el observatorio HAWC forma parte de una red de observatorios alrededor del mundo con los cuales se colabora para llevar a cabo estudios y monitoreos conjuntos de diferentes fuentes astrofísicas. Entre los observatorios mencionados se encuentran el satélite de rayos X, Swift; el telescopio espacial Fermi de rayos gamma; los detectores IACT de rayos gamma, VERITAS y MAGIC; el detector de neutrinos, ICECUBE; y el detector de ondas gravitacionales, LIGO. Cada uno de ellos proporciona información de los astros en distintos rangos de luz o con diferentes tipos de radiación, son, por tanto, complementarios. lo que permite entender mejor los fenómenos que ocurren en las fuentes astrofísicas que se detectan.
El futuro de HAWC es brillante. Aún le esperan nueve años más de operaciones en los que se esperan nuevos resultados y descubrimientos del universo a muy altas energías.
Para saber más:
Página oficial del observatorio HAWC: http://www.hawc-observatory.org
Juan Carlos Arteaga Velázquez es investigador en el Instituto de Física y Matemáticas, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.
[1] Formados por núcleos atómicos.
[2] Los neutrinos son partículas muy penetrantes, de masa despreciable y sin carga eléctrica.
[3] En particular, para que este efecto se produzca, la velocidad de las partículas debe superar a la de la luz en el medio de propagación.
[4] Los pulsares son como faros estelares. Son estrellas muy compactas y densas que giran a una enorme velocidad. Están hechas de neutrones. Se caracterizan por la emisión de pulsos regulares de luz.
[5] La región del Cisne es un sitio en nuestra galaxia con intensa formación estelar.
[6] Es decir, de miles de millones de veces la masa del Sol.