HAWC: astronomía de rayos gamma desde México

Carlos Velázquez

Los fenómenos más violentos en nuestro universo, como la explosión de supernovas, los pulsares y los centros activos de las galaxias, producen la forma más poderosa de radiación electromagnética: los rayos gamma. En la Tierra podemos detectar los efectos de estas poderosas emisiones, por ello el 20 de marzo de 2015 se concluyó en México la construcción del observatorio de rayos gamma de alta energía de mayor sensibilidad en el mundo: el Observatorio Cherenkov de Agua a Gran Altitud o HAWC por sus siglas en inglés.

Gamma, los más poderosos

Vivimos en un universo en constante cambio, la inmovilidad de los astros en el cielo es mera ilusión: el interior de las estrellas es cuna de continuas reacciones nucleares que consumen su reserva energética, y muchas de ellas terminan o mueren en violentas explosiones conocidas como supernovas. Los centros de las galaxias, incluida la nuestra, suelen tener gigantescos agujeros negros que ponen a girar ingentes cantidades de materia a su alrededor, la aceleran y producen gigantescos chorros de radiación; mientras en otros lugares nacen nuevas estrellas… nuestro universo es todo menos un lugar tranquilo. Muchos de estos procesos que llegan al límite de nuestra comprensión, tienen la curiosa característica de no emitir luz visible, por lo que la humanidad ignoró su existencia durante milenios. Pero durante el siglo pasado aprendimos técnicas para detectar otras formas de radiación electromagnética aparte de la luz visible, y ahora nos encontramos en la época de la astronomía de todo tipo de radiación electromagnética.

¿Radiación electromagnética? No te angusties, en realidad tú eres experto en la interacción con la radiación electromagnética, y como ya debes haber deducido, la luz es la forma más común de radiación electromagnética, pero seguro conoces otras, por ejemplo la radiación infrarroja, que algunos animales son capaces de detectar y que percibimos como calor.

Las radiaciones electromagnéticas son ondas que combinan campo eléctrico y magnético, de ahí el nombre. Todas viajan a la velocidad de la luz, y lo único que las diferencia es su frecuencia. La frecuencia es fácil de entender: cuando amarramos una cuerda y la agitamos, la frecuencia de su onda corresponde a las veces que agitamos nuestros brazos de arriba hacia abajo cada segundo, la única diferencia con la luz visible, por ejemplo, es que su frecuencia oscila hacia arriba y abajo unas ¡500’000,000’000,000 de veces cada segundo! También es cierto que cuando la frecuencia aumenta, la energía de las ondas electromagnéticas también lo hace.

Bueno, y ya que estamos tomando como referencia la luz visible, debes saber que las ondas que llegan al radio de tu coche, las microondas con las que haces tus palomitas y también la radiación infrarroja tienen menor frecuencia, y por ello menos energía que la luz visible. Y así como hay ondas con menos energía, hay ondas electromagnéticas con más energía que la luz visible, y es el caso de la luz ultravioleta y los rayos X, pero sí de poder se trata, no hay quien le gane a los rayos gamma. Éstos son tan poderosos que sólo se producen mediante algunos pocos procesos, y una vez que se producen interactúan preferentemente con los núcleos de los átomos, los pueden destruir o quitarles pedazos. Incluso las violentas reacciones termonucleares en el interior del Sol sólo crean luz visible, ultravioleta y un poco de rayos X, de modo que comprenderás que únicamente los eventos más poderosos en nuestro universo son capaces de generar rayos gamma a gran escala.

Un universo de luces violentas

La radiación gamma fue descubierta a inicios del siglo XX junto con las radiaciones alfa y beta (ver en Cienciorama “La tabla periódica de los núcleos”), pero pasó medio siglo para que surgiera la astronomía de rayos gamma. En 1950 L. B. Borst completó la primera teoría plausible sobre la explosión de las supernovas, y mostró que en ellas debían generarse grandes cantidades de rayos gamma. Dos años después Hutchinson predijo la existencia de los rayos gamma en el medio interestelar debido al choque de los rayos cósmicos con la materia interestelar libre. Los rayos cósmicos no son más que protones u otros núcleos atómicos sin electrones, que viajan por el espacio a velocidades increíblemente grandes. Finalmente en 1956 Hoyle y Burbidge sugirieron que las colisiones galácticas, donde una gran cantidad de materia y antimateria se aniquila (la antimateria no es más que las partículas que conocemos, como los electrones, sólo que con carga eléctrica contraria), producen enormes cantidades de rayos gamma. En esa época flotaban en el aire muchas ideas acerca de nuestro universo y la radiación gamma, pero el verdadero inicio de la astronomía de rayos gamma fue más sorprendente de lo que los científicos esperaban.

En la década de 1960 durante la guerra fría, los Estados Unidos y la Unión Soviética desarrollaron armamento nuclear y se embarcaron en la carrera espacial. En esa misma década EU lanzó una serie de misiones espaciales que pusieron en órbita los satélites Vela, con el propósito de captar detonaciones nucleares y por lo tanto capaces de detectar radiaciones gamma. Todo esto se hizo bajo el inesperado nombre de Proyecto Vela. Cuál no sería la sorpresa de los operadores del proyecto cuando el 2 de julio de 1967, los satélites Vela 3 y Vela 4 detectaron una llamarada de rayos gamma más poderosa que la que podía emitir cualquier arma nuclear conocida. Aunque sorprendidos, el equipo consideró que la investigación de esta emisión no era urgente ya que no correspondía a una explosión en la Tierra, de modo que esta información fue clasificada, y se abrió al público hasta 1973 con el anuncio del descubrimiento de los misteriosos Brotes de Rayos Gamma (Gamma Ray Bursts, en inglés), que dio inicio a la astronomía de rayos gamma.

Todos los procesos mencionados al principio producen rayos gamma, pero aún ahora no resulta clara la naturaleza del fenómeno que propicia los brotes de rayos gamma. De hecho durante mucho tiempo ni siquiera se supo con certeza cuál era su origen, y apenas hace algunos años se pudo demostrar que ocurren principalmente en galaxias lejanas. Los brotes de rayos gamma son los sucesos más energéticos y violentos observados hasta ahora en nuestro universo.

Exploradores del cosmos

Después de los descubrimientos realizados con los satélites Vela, diferentes agencias de investigación espacial diseñaron nuevos satélites capaces de detectar la radiación gamma. Todos ellos han ayudado de una manera inestimable a la exploración de las fuentes de rayos gamma, sin embargo tienen algunas desventajas: son muy costosos y su tamaño nunca puede ser demasiado grande por lo que su campo de observación es pequeño. En ese poco espacio se tienen que ubicar complejos detectores que además tienen vidas útiles relativamente cortas. Por último, son incapaces de detectar los rayos gamma de más alta energía. Estas desventajas y en especial la última, dieron paso a la creación de nuevos detectores de rayos gamma, los cuales utilizan la atmósfera como parte de su arsenal de observación.

Cascadas de partículas

Cuando los rayos gamma llegan hasta nuestra atmósfera y golpean violentamente sus átomos, es muy común que la energía del rayo gamma ¡se convierta en dos partículas, un electrón y un positrón!, este último es la antipartícula del electrón. El electrón y el positrón al ser creados tienen una cantidad endemoniada de energía, lo cual quiere decir que viajan a velocidades cercanas a la velocidad de la luz y que pueden pegarle a todo lo que se les ponga enfrente, principalmente a otras partículas de la atmósfera. Estas segundas colisiones pueden ser tan fuertes que hacen que los núcleos de los átomos atmosféricos creen nuevos rayos gamma que a su vez crearán nuevos pares de electrones y positrones, y así hasta que la energía del rayo inicial se haya dispersado. El proceso se llama cascada atmosférica extensa. Lo de cascada se debe a que se trata de una serie de eventos que vienen uno tras otro, y lo de extensa lo puedes comprender viendo la figura 4, donde se simula una de ellas. Como ves, estos rayos gamma sí que saben cómo divertirse con la atmósfera.

Como ya dijimos muchas de estas partículas están cargadas, así que la pregunta que surge es la de si podremos utilizarlas para saber cuál era la energía y la dirección del rayo gamma original. La respuesta es sí.

¡Milagro!

La luz sólo alcanza su máxima velocidad en el vacío, y ésta resulta ser también la máxima velocidad posible en nuestro universo. Pero cuando la luz viaja en un medio como el agua o el aire, su velocidad se reduce debido a que es absorbida y reemitida por las partículas del entorno. En estas circunstancias si una partícula logra ir más rápido que esta luz ralentizada, entonces el medio empieza a emitir luz. Este fenómeno es análogo a los conos de choque que producen los aviones en el aire cuando sobrepasan la velocidad del sonido y es conocido como radiación de Cherenkov.

¿Partículas más rápidas que la luz? ¿Radiaciones con nombres rusos? Esto se está poniendo extraño, pero en realidad no lo es. Cuando se sumerge una muestra radiactiva en agua, por ejemplo en una central nucleoeléctrica, la luz viaja solamente a dos terceras partes de su velocidad máxima, de modo que las partículas emitidas por la barra radiactiva fácilmente pueden ganarle, y es por esto que el agua alrededor de la barra radiactiva tiene un brillo azulado ¡El brillo radiactivo sí puede tener una explicación después de todo! (puedes saber más sobre el efecto Cherenkov consultando “Más rápido que la luz” aquí en Cienciorama).

Con esto en mente la solución al acertijo sobre cómo detectar las partículas de la cascada de radiación es muy fácil: hay que poner un tinaco lleno de agua con detectores de luz. Aunque esto pueda sonar prosaico, es precisamente lo que hizo el equipo de investigación de rayos gamma del Laboratorio Nacional de los Álamos, en EUA. El proyecto fue llamado MILAGRO, que son las siglas para Observatorio Multi-Institucional de Rayos Gamma de los Álamos (Multiple Institution Los Alamos Gamma Ray Observatory en inglés).

La idea del detector MILAGRO es que algunas de las partículas de la cascada que producen los rayos gamma lleguen hasta el depósito de agua, donde propician la radiación de Cherenkov que los detectores de luz instalados pueden registrar. Una vez registrada la radiación es posible reconstruir la trayectoria de las partículas y podemos conocer las características del rayo gamma original.

Una de las ventajas de este tipo de detectores en tierra es que no tiene límite su tamaño, lo que le permite rastrear grandes áreas del cielo; además, la técnica de radiación Cherenkov permite detectar rayos gamma de mayor energía que están fuera del alcance de los detectores a bordo de los telescopios espaciales.

El proyecto MILAGRO funcionó desde el 2001 hasta el año de 2008, cuando el equipo multidisciplinario que lo operaba decidió que era un éxito, pero se necesitaba ir un paso adelante y construir un nuevo detector de radiaciones en tierra.

HAWC, el halcón mexicano

Las condiciones para construir el nuevo detector eran complejas: se requería un lugar bastante alto para poder conseguir algunas de las primeras partículas de las cascadas y mejorar la precisión del detector. Por otra parte era necesario tener fuentes cercanas de agua altamente purificada y contar con la infraestructura necesaria de caminos y mano de obra para llevar a cabo el proyecto. El amplio equipo de operación del MILAGRO consideró lugares como algunas montañas en Bolivia o las regiones secas y montañosas de China, sin embargo, después de varias pláticas, los astrofísicos de México lograron persuadir a todos de que el volcán Sierra Negra en México era el lugar más adecuado, y poder aprovechar además la infraestructura creada para el Gran Telescopio Milimétrico o GMT por sus siglas.

La decisión de colocar el detector en México abrió una amplia posibilidad de cooperación entre varias universidades y centros de investigación mexicanos que llevaron la batuta en muchos de los aspectos de la operación y utilización científica del aparato. El nuevo proyecto fue nombrado Observatorio Cherenkov de Agua a Gran Altitud, o HAWC por sus siglas en inglés (High Altitude Water Cherenkov Observatory). El HAWC tiene el mismo principio de operación que el MILAGRO, sin embargo, debido a que su tamaño es mayor, tiene mucho mayor resolución.

El HAWC está compuesto por 55 millones de litros de agua purificada y desionizada almacenados en 300 tanques de 4.5 metros de profundidad y 7.3 metros de diámetro. En cada uno de ellos se colocaron cuatro fotodetectores capaces de detectar el paso de las partículas cargadas. Este nuevo arreglo corrige muchos de los problemas en la operación del MILAGRO, el cual tenía poca capacidad para discernir entre una fuente verdadera de rayos gamma y el ruido de fondo (el ruido de fondo no es más que la pequeña cantidad de rayos gamma que vienen de todas partes sin que haya una fuente determinada), además de que frecuentemente los detectores se activaban debido a fuentes de luz espurias.

El HAWC mejora la precisión y el área de visión de MILAGRO aunque trabaja en la misma región de energías, y es hoy por hoy el telescopio de rayos gamma de alta energía más poderoso de la Tierra capaz de detectar fuentes galácticas de rayos cósmicos, emisiones galácticas difusas (esto es, la medición del mapa de rayos gamma de nuestra galaxia que podría darnos pistas sobre cuándo y cómo se aceleran los rayos cósmicos, fenómeno desconocido aún) y erupciones de rayos gamma de núcleos activos de galaxias. Actualmente se han detectado varios de estos núcleos que emiten constantemente en la región de rayos gamma y que suelen presentar erupciones donde emiten hasta 50 veces su flujo normal. El HAWC es capaz de monitorear estos núcleos activos en busca de una explicación de su actividad y también detecta brotes de rayos gamma puesto que tiene la capacidad de monitorear grandes áreas del cielo con el propósito de encontrar nuevas ráfagas de rayos gamma. Estas ráfagas tienen muchas características que no se comprenden y es muy importante monitorearlas constantemente en la banda de altas energías para recabar información relevante sobre ellas.

Primeros logros y un gran futuro

Como toda rama de la astronomía, los logros del HAWC tardarán un poco hasta que puedan llegar hasta nosotros. Sin embargo, en sus primeros años de funcionamiento ya nos ha entregado un nuevo mapa estelar en la banda de los rayos gamma, ha logrado detectar nuevos objetos cósmicos y también ha corregido posiciones de los objetos mapeados por otros detectores.

El detector HAWC nos dará una nueva visión acerca de nuestro universo y nos enseñará mucho acerca de los procesos más energéticos que conocemos, así que cada vez que veas el pico de Orizaba, recuerda que muy cerca de ahí hay un gigantesco ojo mirando a millones de años luz, y algún día nos dará una sorpresa.

Bibliografía

  • Alberto Carramiñana et al. HAWC @ México. Un observatorio de rayos γ de gran altura. Proyecto presentado a CONACYT.
  • Ana Paulina Vizcaya Hernández, “Identificación de muones y sus aplicaciones en el observatorio HAWC“, tesis, UNAM 2016.
  • Omar Wilfrido Vázquez Estrada, “Primer prototipo HAWC; un observatorio de rayos gamma en México“, tesis, UNAM, 2011.
  • Daniel Omar Ávila Rojas, “Sensibilidad del observatorio HAWC a rayos gamma de alta energía“, tesis, UNAM, 2016.
  • Mariana Vargas Magaña, “Construcción y caracterización de un detector de agua Cherenkov para estimar el ruido de fondo para el experimento HAWC“, tesis, UNAM, 2007.
  • U. Abeysekara et al., “VAMOS: a Pathfinder for the HAWC Gamma-Ray Observatory”, Astroparticle Physics, 2015; 62;125-133.
  • U. Abeysekara et al., The 2HWC HAWC Observatory gamma ray catalog. Acceso en línea: http://arxiv.org/abs/1702.02992

Fuente: Cienciorama (ligar a http://www.cienciorama.unam.mx/)

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