Publicado en Revista Persea.
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08/6/2017
Ilustración: Ada Peña.
Se requiere de mucha imaginación para descubrir el mundo invisible. La mayoría de los fenómenos físicos escapan a todos nuestros sentidos y solamente podemos advertirlos con la ayuda de artefactos. El científico es un especialista de lo invisible, de lo impalpable, en cielo y Tierra. En su empeño por entender el Universo, se ha abocado obstinadamente al diseño de tecnologías que permiten extender la capacidad humana de percepción de la naturaleza y estudiar eventos que, de otra manera, serían prácticamente imposibles de observar.
Muchos fenómenos astrofísicos y cosmológicos se manifiestan a través de eventos que sólo pueden estudiarse mediante el desarrollo de equipos muy sofisticados de medición. Son voces del Universo que únicamente podemos escuchar a través de tecnologías muy avanzadas. Por ejemplo, el diseño de telescopios que capturen luz en otras regiones del espectro, distintas del rango visible al ojo humano, ha sido determinante, entre muchas otras cosas, en el estudio del nacimiento de estrellas, opacadas por el denso polvo estelar, escenario que requiere de la mirada en el infrarrojo; o para estudios sobre épocas muy tempranas del Universo cuya luz muy antigua nos llega en el rango del microondas.
En esta gráfica puedes apreciar las diferentes regiones del espectro electromagnético o luz. Observa que la pequeñísima porción coloreada hacia el centro es la región visible, es decir, la perceptible a nuestros ojos desnudos. La región ultravioleta, hacia la izquierda, es de mayor frecuencia (y menor longitud de onda) que el visible y la infrarroja, hacia la derecha, es de frecuencia más baja (y mayor longitud de onda). Imagen de Wikipedia.
Además de luz, a la Tierra llegan partículas subatómicas que provienen del espacio exterior y que han sido testigos de eventos astronómicos, muchos de ellos catastróficos y colosales como la formación de agujeros negros, las colisiones entre galaxias, y las supernovas, entre otros. Al conjunto de estas partículas lo llamamos radiación cósmica y es indudable que su estudio ofrece un recurso valioso para hacer astronomía y entender los procesos que ocurren en el Universo.
Desde su descubrimiento, a principios del siglo XX, científicos de todo el mundo se han dado sin descanso a la tarea de estudiar la radiación cósmica y América Latina ha jugado un papel protagónico en esta gran empresa. Observatorios monumentales que ocupan grandes extensiones de terreno o que requieren de estaciones científicas en lugares remotos e inhóspitos como desiertos o los picos de montañas muy altas, proliferan en nuestros países. Aun enfrentando el bajo presupuesto en la ciencia en todo el mundo, acentuado en los países de América Latina, nuestros investigadores han logrado contribuir significativamente al acervo científico mundial en estas áreas de conocimiento.
¿Qué es la radiación cósmica?
La radiación cósmica, vista desde la Tierra, es un flujo de partículas subatómicas muy energéticas que provienen del Sol, de otras partes de la Vía Láctea y de otras regiones del Universo. Viajan por el espacio recorriendo distancias extraordinarias y después de una odisea penetran la atmósfera terrestre al 99% de la velocidad de la luz. Al llegar a la ionósfera embisten a los núcleos de nitrógeno y oxígeno produciendo miles de millones de más partículas ionizantes, en reacciones en cadena, que interaccionan entre ellas y con los átomos del aire y caen en una especie de lluvia o cascada sobre la superficie de la terrestre. Estos chubascos de partículas subatómicas producidas por la radiación cósmica se llaman: rayos cósmicos secundarios o atmosféricos. La mayor parte de la radiación cósmica está conformada por núcleos de hidrógeno y helio ( aproximadamente 99% ) y, en menor proporción, núcleos de átomos más pesados ( aproximadamente 1%). También se observan electrones y antimateria en ínfima proporción.
Representación artística de las lluvias de rayos cósmicos atmosféricos. Crédito: : Simon Swordy, Universidad de Chicago/NASA.
Atrapando lluvias que no mojan para resolver enigmas astronómicos
Hay varias maneras de investigar la radiación cósmica: directamente desde satélites y naves espaciales o desde la Tierra, atrapando estas cascadas de radiación secundaria en el aire o cuando caen sobre la superficie. Estas cascadas son un laboratorio natural para estudiar tanto la composición de la materia como eventos astronómicos. Nuestros científicos latinoamericanos son expertos en la observación astrofísica a través de las lluvias de rayos cósmicos secundarios. Algunos observatorios cuentan con financiamiento de los EEUU o de países de Europa; otros han trabajado enteramente con fondos propios, situación que usualmente presenta dificultades en nuestros países por las subvenciones usualmente muy precarias.
El pión es un compuesto de dos quarks: up y anti-down, en español quark «arriba» y la antipartícula del quark »abajo». El pión se clasifica como hadrón, tal como el protón, que muestro a la derecha por comparación.
Posiblemente la observación de la radiación cósmica más antigua, relevante, que ocurrió en América Latina fue hace exactamente 70 años, en 1947. En aquellos días, los rayos cósmicos eran aún un gran misterio y su revelación era reciente. César Lattes, un científico brasileño, llevó películas fotográficas, especiales para detectar radiactividad, hasta una estación meteorológica a 5600 metros sobre el nivel del mar, en el monte Chacaltaya, cerca de La Paz, en los Andes bolivianos. Allí, Lattes logró observar con comodidad rayos cósmicos, debido a la posición privilegiada en las alturas del páramo andino. Más aún, sus estudios presentaron evidencia convincente de la existencia de una partícula compuesta de quarks nunca antes vista: el pión. Este descubrimiento representó un hito en el entendimiento del mundo subatómico y un aporte fundamental en la construcción del Modelo Estándar.
Pasadas varias décadas, en marzo de 1995, expertos se reunieron en París para fundar el Observatorio de rayos cósmicos Pierre Auger en Argentina, y en 2000 se colocó la primera piedra de esta monumental construcción. Extendido en un paraje fastuoso entre llano y montañas nevadas, en la pampa amarilla en Mendoza, región muy famosa por sus vinos, el complejo científico está compuesto por dos tipos de instrumentos diseñados para atrapar a las partículas de estos singulares chubascos. De un total de 1687 detectores esparcidos en una extensión de 3000 kilómetros cuadrados, 27 son instrumentos que perciben luz ultravioleta, que pudiera generarse durante el desarrollo las lluvias en el aire, y 1660 están diseñados para detectar a las partículas al caer sobre la superficie de la Tierra. Este espectacular montaje experimental permite determinar la energía que trae la partícula originaria del chubasco y su dirección de entrada en la atmósfera.
Uno de los 1660 detectores de rayos cósmicos atmosféricos del Observatorio Pierre Auger. Al fondo, los Andes.
Después de más de una década de operaciones, la colaboración científica del Pierre Auger ha contribuido enormemente a establecer el flujo de radiación cósmica que llega a la atmósfera con respecto a la energía que trae. Mientras más energía, el flujo de protones y otros núcleos pesados va disminuyendo de forma dramática, siguiendo una ley de potencia. Así, las partículas de más baja energía entran en la atmósfera aproximadamente una vez por metro cuadrado por segundo. Las más energéticas entran a razón de una partícula por kilómetro cuadrado por año, lo que dificulta enormemente el entendimiento de los rayos cósmicos muy energéticos, también llamados: ultra energéticos. En términos de cifras estamos hablando de rangos de energía entre los teraelectronvoltios (uno seguido de 12 ceros de electronvoltio) y los exaelectronvoltios (uno seguido de 18 ceros de electronvoltio). Para ilustrar, en términos comparativos, la energía de enlace del electrón en el átomo de hidrógeno es de 13,6 electronvoltios; la energía alcanzada en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más grande y energético construido por el hombre, en el Centro Europeo para Investigación Nuclear (CERN) es de 14 teraelectronvoltios.
Espectro de energías del flujo de los rayos cósmicos. Imagen: Instituto de Geofísica, Universidad Autónoma de México.
En cuanto a la distribución espacial, los astrofísicos del Pierre Auger han determinado que la mayoría de los rayos cósmicos muy energéticos vienen de fuera de la Vía Láctea, mientras que los menos energéticos de nuestra galaxia. Algunos de ellos provienen del Sol, otros de regiones de la galaxia donde han ocurrido eventos catastróficos como supernovas e hipernovas. Los estudios de los datos parecen indicar que los ultra energéticos provienen de galaxias con centros activos, que tienen un agujero negro en su centro. Existen candidatos, pero todavía se requieren más datos para precisar un catálogo de fuentes. Mientras viajan por el espacio, los rayos cósmicos cargados eléctricamente son desviados por campos magnéticos de galaxias, estrellas y planetas. Incluso el campo magnético de la Tierra afecta su flujo de entrada. Los ultra energéticos son poco afectados en su trayectoria por los campos magnéticos, llegando a la Tierra prácticamente sin desvío desde los sitios de aceleración. Esto representa una ventaja en la determinación de su origen y centros de aceleración. Los mecanismos de aceleración de los rayos cósmicos son todavía un misterio.
Otro descubrimiento alucinante de la colaboración Pierre Auger está relacionado con el Modelo Estándar. Las colisiones en cadena que ocurren en los chubascos de rayos cósmicos atmosféricos pueden ser 10 veces más energéticos que en el LHC, escenario propicio para estudiar a la materia y sus interacciones. En este sentido, las observaciones han revelado una discrepancia notoria entre el número de muones (partículas que tienen las mismas características que un electrón, pero 200 veces más masivas) detectados que el predicho en los modelos que se usan en el LHC. Esto ha dejado al descubierto un nuevo enigma que parece estar relacionado con que nuestro entendimiento sobre las interacciones entre las partículas es incompleto.
Destellos del Universo convertidos en lluvias de rayos cósmicos atmosféricos.
Otro hito en la historia de la humanidad fue el descubrimiento de los estallidos de rayos gamma, o GRB por sus siglas en inglés: Gamma Ray Bursts. Son de los eventos más violentos observados en el Universo.
Durante los años sesenta, la Administración Nacional de Seguridad Nuclear estadounidense llevó a cabo un programa espacial llamado Vela que consistió en poner en órbita 10 satélites con instrumentos capaces de detectar destellos violentos de rayos gamma, típicos de la actividad nuclear. Efectivamente, estos observatorios flotantes eran espías. Si algún país ordena la detonación de armas nucleares en el espacio, esto resulta en la liberación de grandes cantidades de rayos gamma. Finalmente se lograron poner en marcha hasta 6; el último de ellos fue lanzado en 1970. En 1963, varios de estos satélites detectaron destellos repentinos muy potentes de rayos gamma. «¿Quién está haciendo pruebas nucleares en este momento?» El análisis de los datos mostró que ningún país era el responsable, que los destellos tenían una fuente extraterrestre. Ese descubrimiento se mantuvo en secreto de Estado hasta los años setenta, cuando finalmente se publicó el hallazgo en la revista Astrophysical Journal, revelando al mundo los estallidos cósmicos de rayos gamma.
Los rayos gamma son las formas más energéticas de luz conocidas, se ubican hacia el 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 gamma es posible examinar el interior de contenedores cubiertos con capas metálicas muy gruesas.
Imagen hecha con rayos gamma del interior de un camión contenedor. Crédito: Wikipedia.
Los rayos gamma se producen durante reacciones nucleares, de esa manera es que se observan en el laboratorio. Sin embargo, procesos astrofísicos pueden producir grandes cantidades en lugares remotos del Universo visibles desde la Tierra. Generalmente, los estallidos de rayos gamma duran unos segundos y se observan a diario desde satélites. Estas misteriosas descargas producen un resplandor en objetos celestes vecinos, fenómeno que permite a los investigadores obtener más información de su naturaleza y origen. Aún no está muy claro cómo son producidos, lo que sí sabemos es que su distribución, casi uniforme en todo el espacio, revela que en su mayoría son extragalácticos, de otro modo, se observarían todos en el plano de la Vía Láctea. Investigadores los han asociado con fusión de dos estrellas de neutrones para formar un agujero negro, de una estrella de neutrones con un agujero negro para formar un agujero negro más grande, con supernovas e hipernovas.
Representación artística de la emisión violenta de rayos gamma durante la formación de un agujero negro. Crédito: NASA.
Los rayos gamma de alta energía también producen chubascos de rayos cósmicos atmosféricos, que tienen características diferentes a los iniciados por protones y otros núcleos atómicos. Varios observatorios en América Latina han sido diseñados con la intención de estudiar a los estallidos de rayos gamma y, en general, a los rayos gamma de origen cósmico utilizando técnicas de observación de estos chubascos.
Ojos atentos a los estallidos cósmicos de rayos gamma proliferan sobre los Andes y en nuestras sierras nevadas
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 Altura de Rayos Gamma, HAWC.
HAWC es una instalación científica multipropósito ubicada en el Parque Nacional Pico de Orizaba, a 125 kilómetros de Ciudad de Puebla en México. Específicamente, el arreglo de 300 detectores descansa sobre la falda de la Sierra Negra, a 4100 metros sobre el nivel del mar; vecino al Volcán Citlaltépetl, nombre que en la lengua nativa náhuatl significa «El Monte de la Estrella».
Este observatorio es uno de los montajes experimentales más sensibles en su tipo, que está operativo. Su objetivo es hacer astronomía a través de la detección en Tierra de chubascos de rayos cósmicos atmosféricos. Estas cascadas pierden energía muy rápidamente en la tropósfera, se desvanecen, y por esta razón es necesario o bien usar grandes extensiones de terreno o ubicar a los detectores sobre montañas muy altas.
HAWC. Crédito de la imagen: Universidad de Wisconsin-Madison. Al fondo el pico Orizaba.
Entre las líneas de investigación de HAWC se destacan indagar sobre el origen de los estallidos de rayos gamma y catalogar los sitios de aceleración de los rayos cósmicos. En principio, estos sitios de aceleración son eventos astronómicos transitorios muy violentos como supernovas o regiones de gravedad muy alta como las cercanías de agujeros negros supermasivos. En estos eventos y/o sitios de aceleración se generan grandes cantidades de rayos gamma y es por esto que son ideales para estos estudios.
El sondeo del cielo desde HAWC ha dado buenos frutos. Después de 17 meses de observaciones, en febrero de 2017, la colaboración publicó su primer catálogo de fuentes de rayos gamma de alta energía, en algunos casos comprobados con otros observatorios. Un total de 39 fuentes fueron enlistadas, la mayoría están dentro de la Vía Láctea. Resaltan: una fuente asociada a un pulsar en la Nebulosa del Cangrejo que fue catalogada en 1989, y desde entonces se usa para calibrar; dos asociados al pulsar Geminga, de la constelación Géminis, y los blazars «Markarian 421» y «Markarian 501» como las dos únicas regiones extragalácticas candidatas. Los blazars son fuentes compactas tremendamente energéticas, y se les relaciona con agujeros negros supermasivos. El catálogo fue aceptado para su publicación en la prestigiosa revista científica Astrophysical Journal. Asimismo, HAWC reporta, en otro artículo aceptado para publicación en la misma revista, una lista de 64 observaciones de estallidos de Rayos Gamma detectados por los satélites Swift y Fermi, ambos de la NASA.
El observatorio más grande del mundo.
El Observatorio Gigante Latinoamericano (LAGO, por sus siglas en inglés: Latin American Giant Observatory), es una colaboración entre 9 países: Argentina, Bolivia, Brasil, Colombia, Ecuador, Guatemala, México, Perú y Venezuela, y 34 Instituciones académicas. Grandes objetivos reúnen a este conjunto de investigadores, ingenieros y estudiantes: la observación de Estallidos de Rayos Gamma Galácticos y Extragalácticos, la física solar o meteorología espacial y el estudio de la relación entre los rayos cósmicos y el clima.
Sitios donde están ubicados los arreglos de detectores del Observatorio Gigante Latinoamericano. Crédito de la imagen: colaboración LAGO.
Este observatorio, en lugar de concentrar detectores en una región, los tiene dispersos por casi todo el continente Americano. Junto a los cóndores, sobre los picos de los Andes, en Argentina, Bolivia, Colombia, Ecuador, Perú y Venezuela se posan orgullosos pequeños arreglos de detectores prestos a la astronomía a través rayos cósmicos atmosféricos. Además, LAGO cuenta con sitios en a la base científica Marambio en la Antártida, en Guatemala y Sierra Negra, México. Diez arreglos ya están instalados y en operación, once están en construcción y nueve están en planeación. El observatorio cubre varias latitudes, y con esto un amplio rango de intensidades geomagnéticas, además de aprovechar la sensibilidad que proporciona la altitud de cada localización.
Los detectores ubicados entre los 4000 y 6000 metros sobre el nivel del mar son propicios para estudiar estallidos de rayos gamma, mientras que los de menor altura, entre 1000 y 4000 metros sobre el nivel del mar, son adecuados para la para estudiar la actividad solar.
El Sol tiene un efecto considerable sobre el destino de los rayos cósmicos de baja energía (galácticos) que llegan a la Tierra. Cuando el Sol está activo su campo magnético es tan intenso que el flujo de rayos cósmicos que llegan a la atmósfera se percibe reducido. Cuando el Sol está en calma, son menos afectados y viajan con más facilidad directo hacia la Tierra, de modo que se aprecia un aumento en su flujo. Entonces, midiendo el flujo de rayos cósmicos galácticos se puede estudiar la actividad solar, tanto de los ciclos solares como de sus eventos violentos transitorios. Cuando se produce una eyección de masa de la corona del Sol, una enorme cantidad de plasma magnetizado se envía a través del medio interplanetario que actúa como un escudo contra la radiación cósmica, observándose una disminución repentina de su flujo. Una vez que la eyección se retira, los niveles vuelven lentamente a su valor original, en una escala de tiempo de días. Este efecto, que es capaz de afectar el funcionamiento de satélites y aviones, puede ser observado tanto por el Pierre Auger, HAWC y LAGO.
En esta gráfica se aprecia un evento solar claramente registrado por LAGO. La señal (en rosado) del detector en Bariloche, Argentina, se observa en coincidencia con la detección del mismo evento por un observatorio en Roma y por el Pierre Auger en Mendoza, Argentina. Lo que vemos aquí es una disminución repentina del flujo de rayos cósmicos debido a una eyección de la corona solar. Estos eventos se llaman «Forbush», en honor a su descubridor Scott Forbush.
La radiación cósmica y los estallidos de rayos gamma nos ayudan a comprender eventos astronómicos y en buena medida el origen y la composición del Universo. Son una verdadera voz del firmamento, traen mensajes que los latinoamericanos estamos impacientes por descifrar.
Referencias
- Gaisser, T. (2016, October31). Cosmic-Ray Showers Reveal Muon Mystery, American Physical Society Journal. Physics 9, 125.
- HAWC collaboration. (2017) The 2HWC HAWC observatory gamma ray catalog. Astrophysical Journal (en prensa). Disponible en el repositorio de artículos: arxiv: 1702.02992 [astro-ph HE].
- HAWC collaboration. (2017). Search for very-high-energy emission from gamma-ray-bursts using the first 18 months of data from the HAWC gamma-ray observatory. Astrophysical Journal (en prensa). Disponible en el repositorio de artículos: arxiv:1705.01551[astro-ph-HE].
- LAGO collaboration.(2015). The Latin American Giant Observatory: Contributions to the 34th International Cosmic Ray Conference (ICRC 2015). Proceedings of The Astroparticle Physics Conference: 34th International Cosmic Ray Conference, The Hague, The Netherlands.
Red Latinoamericana de Cultura Científica 