#CienciaLatina – HAWC, el observatorio al pie del Monte de la Estrella

Por Alexandra Castro (@Brownianas)

En el flanco suroeste del Parque Nacional Pico de Orizaba, la Sierra Negra contempla callada la majestuosidad del Volcán Citlaltépetl, nombre que en la lengua nativa náhuatl significa: El Monte de la Estrella.  Sobre esta cordillera, ubicada a unos 125 km de Ciudad de Puebla en México, emergen orgullosos 300 ojos prestos a observar el Universo. De un esfuerzo colaborativo internacional que involucra a catorce instituciones académicas y de investigación en México, diecinueve en Estados Unidos de Norteamérica una en Polonia y una en Alemania; y cerca de una centena de investigadores, nace el Observatorio de Rayos Gama, HAWC. Específicamente, la misión de HAWC es estudiar fuentes extraterrestres de rayos gama.

Pero, ¿qué son los rayos gama? ¿de dónde provienen? ¿cómo son observados por este complejo arreglo de detectores? Veamos

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Imagen cortesía del Dr. Ibrahim Torres, Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, UNAM

Los rayos gama son las formas más energéticas de luz conocidas, se ubican hacia al final del espectro electromagnético, después de los rayos X. Así como los rayos X son capaces de atravesar tejidos biológicos como la piel, permitiéndonos revisar el interior de nuestros cuerpos; utilizando rayos gama es posible examinar el interior de contenedores cubiertos con capas metálicas muy gruesas.

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Imagen de rayos gama del interior de un camión. Crédito de la foto: Departamento de Energía de los EEUU.

Los rayos gama se producen durante reacciones nucleares. De esa manera es que los hemos observado en el laboratorio. Sin embargo, procesos astrofísicos pueden producir grandes cantidades de rayos gama, desde lugares remotos del Universo, visibles desde la Tierra.

Un ejemplo de estos fenómenos son los estallidos de rayos gama. Los estallidos de rayos gama son los fenómenos más energéticos conocidos en el Universo. Son destellos repentinos extremadamente potentes que pueden durar entre unas fracciones segundo hasta casi 15 minutos. Los estallidos de rayos gama son eventos muy frecuentes, de hecho, son detectados a diario.

El siguiente video muestra cómo aparecen ante la ventana del satélite de la NASA Swift.

www.youtube.com/embed/m3IDJFmD9Ss

De acuerdo con su duración, se clasifican en destellos cortos (entre pocos milisegundos y 2 segundos) y largos (entre 2 segundos y cientos de segundos). Los expertos tienen evidencia de que los destellos cortos pudieran estar asociados con la fusión de dos estrellas de neutrones para formar un agujero negro o de una estrella de neutrones con un agujero negro para formar un agujero negro más grande; y a los largos con la muerte violenta de estrellas o supernovas.

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Estallido de rayo gama de 0.1 segundos de exposición tomado por el satélite Swift. Crédito de la Imagen: NASA
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Estallido de rayos gama. Concepto artístico. Imagen NASA

Se ha propuesto que eventos transitorios como supernovas actúan como centros de aceleración de rayos cósmicos. La radiación cósmica es un flujo de partículas muy energéticas que entran en la atmosfera terrestre provenientes del espacio exterior. Esencialmente está conformada de partículas subatómicas, más que todo núcleos de hidrógeno y helio (~99 %) y, en menor proporción, núcleos más pesados (~1 %). Otros componentes como electrones y antipartículas como positrones y antiprotones se han observado, pero en ínfima proporción con respecto a los núcleos atómicos. Algunos rayos cósmicos vienen del Sol, otros de lugares remotos dentro de nuestra galaxia, pero la mayoría de los más energéticos,  recorren distancias inconmensurables desde fuera de la Vía Láctea antes de llegar a la atmosfera terrestre.

Los científicos tienen evidencia de que durante estas explosiones catastróficas tipo supernovas, campos magnéticos son expelidos a grandes energías, convirtiéndose en aceleradores de partículas.

Actualmente, la NASA tiene en operación al telescopio satelital Fermi, que está equipado con instrumentos sensibles a fotones gama de alta energía (< 100 Giga eV o 100 mil millones de eV). Sin embargo, el flujo de estos rayos decrece dramáticamente a medida que aumenta la energía y la probabilidad de detección desde bases espaciales comienza a necesitar la ayuda de observatorios en tierra. El observatorio mexicano de rayos gama, HAWC, utiliza un método de observación indirecto pero que puede ser eficaz para este fin.  En 1938, el físico francés Pierre Auger descubrió que los rayos cósmicos producen cascadas de miles de millones de partículas subatómicas (o rayos cósmicos secundarios) al chocar con los átomos del nitrógeno y oxígeno en la atmósfera. Estas cascadas son iniciadas aproximadamente a 100 km de altura sobre el nivel del mar, en la ionósfera, y literalmente caen en forma de lluvia hacia la superficie terrestre. En su progreso, estas lluvias van perdiendo energía y nuestra capacidad para estudiarlas decrece con la altura. De modo que los observatorios necesitan ocupar grandes extensiones de terreno o ubicarse sobre cumbres de montañas muy altas. Los rayos gama de alta energía también producen cascadas atmosféricas de rayos cósmicos secundarios y HAWC aprovecha este fenómeno.

El observatorio completo consiste de un arreglo de 300 detectores colocados en la cara suroeste del volcán Pico de Orizaba, a 4100 m sobre el nivel del mar. Cada detector consta de un tanque cilíndrico de 7.3 m de diámetro por 4.5 m de altura que está completamente lleno de agua purificada y dotado de 4 dispositivos diseñados para detectar luz a baja intensidad o  fotomultiplicadores. La técnica a emplear utiliza el efecto Cherenkov, que se produce cuando partículas subatómicas viajan a través de un material superando a la velocidad de la luz en ese medio.  En principio, ninguna partícula con masa puede viajar mas rápido que la luz en el vacío. No obstante, una vez que la luz penetra un medio material, su velocidad puede disminuir apreciablemente. Por ejemplo, en el agua solo puede viajar al 75 % de su velocidad en el vacío, de modo que en ese caso sí puede haber partículas masivas capaces de ir más rápido que la luz. Cuando una de estas partículas subatómicas, que porta carga eléctrica, entra en un material con una velocidad mayor a la de la luz e irrumpe con violencia en el campo electromagnético del medio, se genera una onda de choque luminosa que sigue la estela dejada por la partícula. Es un efecto similar a cuando un jet o una bala rompe la barrera de la velocidad del sonido. Esta onda de choque se llama luz de Cherenkov, en honor a su descubridor, el físico ruso Pavel Alekseyevich Cherenkov. Entonces, cada tanque de agua de HAWC recibirá millones de partículas muy energéticas, que viajaran mas rápido que la luz en el agua, generando luz de Cherenkov detectable por los instrumentos ópticos (fotomultiplicadores).

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Diagrama de un tanque detector de HAWC. Imagen cortesía de la colaboración HAWC.

El arreglo de detectores HAWC es capaz de recolectar los tiempos de llegada de la señal en cada tanque de manera independiente, cosa que permite reconstruir la dirección de incidencia de las lluvias de rayos cósmicos secundarios. El observatorio también será capaz de distinguir las lluvias iniciadas por rayos gama de las iniciadas por rayos cósmicos de baja energía (o radiación cósmica de fondo).

El observatorio tendrá una capacidad sin precedentes de detectar rayos gama desde los 100 GeV, permitiendo el estudio de fuentes galácticas de rayos gama, hasta los 100 TeV. HAWC monitorea el cielo del hemisferio norte en búsqueda de estallidos de rayos gama y de emisiones extendidas de rayos gama provenientes del plano galáctico. Este observatorio mexicano podría ser clave en la identificación de  fuentes  de rayos cósmicos galácticos como supernovas y pulsares.

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Prof. Ignacio Taboada en su oficina del Instituto Tecnológico de Georgia

Ignacio Taboada, uno de los científicos principales del proyecto, Instituto Tecnológico de Georgia, Georgia Tech, comenta:

“Tras un año de operación, HAWC provee una vista sin precedentes del 2/3 de todo el cielo en el rango TeV. Varias docenas de fuentes de rayos gama son observadas por HAWC, algunas de ellas descubiertas por HAWC. Pero más importante aún, los datos de HAWC complementan observaciones previas y permiten un mejor entendimiento de aceleradores de partículas dentro y fuera de nuestra galaxia. La técnica de observación de HAWC es particulamente útil en el estudio de fuentes variable, muy extensas o que produzcan rayos gama de más de 10 TeV”

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Mapa de las observaciones de HAWC. Allí se aprecia el plano de la Vía Láctea. Las 3 fuentes que se observan aisladas son el Cangrejo y Markarian 421 y 501. Imagen coresía de la colaboración HAWC.

El observatorio HAWC inició operaciones en Agosto de 2013, con un tercio del total de los detectores, y fue completado e inaugurado formalmente en Marzo de 2015.  Científicos de HAWC darán a conocer más resultados interesantes de sus observaciones en la próxima conferencia de la Asociación Americana de Física, en Abril de 2016.

Referencias

  1. Abeysekara et al. (HAWC collaboration), `Search for TeV Emission from Point-like Sources in the Galactic Plane with a Partial Configuration of the HAWC Observatory’, The Astrophysical Journal, Vol 817, pp 3. 2016.URL: http://iopscience.iop.org/article/10.3847/0004-637X/817/1/3/meta
  2. U. Abeysekara et al. (HAWC collaboration) `Sensitivity of the High Altitude Water Cherenkov Detector to Sources of Multi-TeV Gamma Rays’, Astroparticle Physics, Vol 50-52, pp 26-32, 2013. URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927650513001230
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