Un observatorio permitirá el estudio de rayos gamma con una precisión sin precedentes

Un consorcio integrado por 32 países, con Brasil entre ellos, pretende concluir en el año 2022 la construcción del mayor observatorio terrestre de partículas de luz de altísima energía provenientes del espacio

Por Elton Alisson  |  Agência FAPESP – Los rayos gamma podrán estudiarse en poco tiempo más con una precisión sin precedentes. Un consorcio integrado por más de 1.350 científicos e ingenieros de 32 países, Brasil inclusive, pretende construir para el año 2022 el Cherenkov Telescope Array (CTA), el mayor observatorio terrestre destinado al estudio de estas partículas de luz (fotones) de altísimas energías provenientes del espacio. Aunque su búsqueda ya se extiende por más de un siglo, todavía es poco lo que se sabe sobre dichas partículas de luz, sobre sus fuentes y sobre el papel que tienen en nuestra galaxia y más allá de ella.

Algunos de los investigadores miembros de la colaboración CTA participaron entre los días 21 y 31 de mayo de la São Paulo School of Advanced Science on High Energy and Plasma Astrophysics in the CTA Era – SPSAS-HighAstro, realizada en el Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP), en Brasil.

Este evento, que contó con el apoyo de la FAPESP en la modalidad Escuela São Paulo de Ciencia Avanzada, reunió a 100 estudiantes de posgrado –de los cuales eran 50 de São Paulo y de otros estados brasileños y otros 50 del exterior– a quienes se les impartió capacitación en Astrofísica de Altas Energías y Plasmas con la intención de prepararlos para dominar esas áreas y que puedan utilizar los nuevos instrumentos de detección de rayos gamma que están construyéndose, tal como es el caso de los del CTA.

“El CTA forma parte de una nueva generación de detectores de rayos gamma y podrá permitir la detección de más de mil nuevos objetos emisores de radiación gamma que llegan a la Tierra, producidos por rayos cósmicos [partículas tales como protones, electrones y iones, que viajan a velocidades cercanas a la de la luz]”, dijo Razmik Mirzoyan, investigador del Max Planck Institute for Physics de Munique, en Alemania, en su conferencia durante el evento.

Al llegar a la Tierra, los rayos gamma chocan con moléculas de aire y dan origen a partículas subatómicas secundarias, que caen en forma de cascadas, también conocidas como duchas de aire o de partículas.

Estas partículas de alta energía pueden viajar más rápido que la luz, dando origen a un flash azul similar a una onda de choque producida por un avión supersónico al romper la barrera del sonido.

La luz Cherenkov

El matemático inglés Oliver Heaviside (1850-1925) calculó y previó las principales características de un fenómeno de esta índole, cuando un electrón se mueve en un medio transparente a una velocidad superior a la de la luz.

Con todo, el trabajo de este científico no contó con el beneplácito de sus pares contemporáneos y cayó en el olvido, según contó Mirzoyan.

“A finales del siglo XIX, los científicos creían que el espacio estaba perturbado por el éter [una sustancia con densidad nula que ocuparía todos aquellos espacios a los que se dio en llamar espacios vacíos, lo que incluía a los espacios intergalácticos]”, ponderó el investigador armenio.

Casi 50 años después de las primeras publicaciones de Heaviside sobre la previsión de este tipo de fenómenos –que empezaron en 1888–, el físico ruso Pavel Cherenkov (1904-1990) descubrió experimentalmente este efecto, que recibió el nombre de radiación de Cherenkov o luz Cherencov.

“En 1937, Cherenkov logró medir la anisotropía [la característica de un medio en donde ciertas propiedades físicas varían en distintas direcciones] de este tipo de emisiones y remitió un artículo informando acerca de los resultados a Nature, pero la revista se rehusó a publicar su trabajo”, dijo Mirzoyan.

“Por fortuna, la revista Physical Review aceptó publicar el artículo en el cual Cherenkov mencionó la posibilidad de medir electrones rápidos con carga negativa”, afirmó.

En 1938, el físico francés Pierre Auger (1899-1993), al posicionar detectores de partículas en lo alto de los Alpes, percibió que dos de ellos, ubicados a varios metros de distancia uno del otro, detectaron partículas que llegaban al mismo tiempo, en cascadas.

Y en 1948, el físico británico Patrick Blackett (1897-1940), al estudiar los rayos cósmicos empleando una cámara de nubes –un método de detección de partículas subatómicas–, mencionó la probabilidad de la existencia de componentes livianos de “luz Cherenkov” de partículas relativistas en duchas de aire que podrían contribuir marginalmente a la intensificación de la luz del cielo nocturno.

A partir de entonces se desató la carrera hacia el desarrollo de detectores de “luz Cherenkov” de duchas de partículas producidas tanto por rayos cósmicos como por rayos gamma, ambas provenientes del espacio. “Hasta ese momento, la ‘luz Cherenkov’ había sido detectada únicamente en medios sólidos y líquidos”, explicó Mirzoyan.

Con mayor sensibilidad

De acuerdo con los científicos que participan en el evento, la actual generación de detectores de rayos gamma –conformada por el High Energy Stereoscopic Systen (HESS), con sede en Namibia, el Observatorio de Gamma-rays (Magic), en Canarias, España, y el Veritas, en Arizona, Estados Unidos– empezó a producir resultados en 2003 y generó un incremento de la cantidad de objetos emisores de rayos gamma conocidos desde alrededor de 10 hasta 100.

El CTA haría que ese catálogo experimente un salto 10 veces mayor, al detectar más de mil nuevos objetos, toda vez que será 10 veces más sensible y tendrá una precisión sin precedentes para la detección de rayos gamma de alta energía.

Este aumento de la sensibilidad y la precisión en la detección de esos rayos gamma será posible en razón del área de recolección de datos y de una combinación de tres tipos de telescopios Cherenkov para cubrir un rango de energía que oscila de 20 GeV a 300 TeV.

Mientras que los observatorios de rayos gamma actuales cuentan a lo sumo con cinco telescopios Cherenkov operando en conjunto, el CTA estará compuesto por 100 telescopios terrestres de tres tamaños distintos, divididos entre un lugar situado en el hemisferio Norte y la otra parte mayor en el hemisferio Sur.

En el hemisferio Sur, el observatorio se construirá en el desierto del Atacama, en Chile, cerca del Atacama Large Milimeter Array (Alma), perteneciente al Observatorio Europeo Austral (ESO). Y en el hemisferio Norte estará ubicado en Canarias, cerca del Observatorio Magic.

De esta forma, el CTA tendrá un área de captación equivalente a más de un millón de metros cuadrados (m²), lo que permitirá contar con una cobertura de casi todo el cielo, en un ángulo de 360°, que aumentará las posibilidades de capturar las duchas de partículas producidas por los rayos gamma.

Aunque la “luz Cherenkov” se propaga sobre una enorme área (de 250 metros de diámetro), la ducha de partículas dura tan sólo algunas milmillonésimas de segundo y es muy rara, con una tasa de ocurrencia de un fotón de rayos gamma por m² por año partiendo de una fuente luminosa fuerte, o de un por m² por siglo partiendo de una fuente luminosa débil.

Cada telescopio tendrá un montaje que permitirá apuntar rápidamente hacia los blancos deseados y estará compuesto por un gran espejo segmentado, cuya función será reflejar la “luz Cherenkov” hacia una cámara de alta velocidad.

Con las imágenes obtenidas a través de la cámara, será posible digitalizar y gravar la imagen de la ducha de rayos gamma para la realización de un estudio más profundo de sus fuentes cósmicas: los alrededores de agujeros negros, remanentes de supernovas, galaxias con núcleos activos y púlsares.

“La primera propuesta de uso de una serie de telescopios Cherenkov en operación conjunta con el objetivo de realizar observaciones se formuló en 1984”, comenta Mirzoyan.

La participación brasileña

El proyecto de construcción del CTA tiene un valor estimado en 400 millones de euros y, de acuerdo con los coordinadores, se encuentra en un estadio bastante avanzado.

Brasil participa en el proyecto en diferentes frentes. Uno de ellos es la construcción del ASTRI Mini-Array –una matriz menor de telescopios Cherenkov, que constituirá el prototipo del observatorio CTA–, en colaboración con Italia y Sudáfrica.

Esta mini matriz estará compuesta por nueve telescopios Cherenkov con espejos de 4,3 metros de diámetro, que se instalarán en la parte sur del CTA, en Chile, a partir de 2018.

El ASTRI tendrá una sensibilidad superior a la del HESS y alcanzará energías superiores a los 100 TeV, equivalentes a 100 billones de electronvoltios. El telescopio prototipo del ASTRI se inauguró en Sierra la Nave, en la región de Catania, Italia, en septiembre de 2014, y posee una innovadora cámara focal modular con fotomultiplicadores de silicona, desarrollada en colaboración con ingenieros brasileños del IAG-USP.

El grupo de la profesora Elisabete Maria de Gouveia Dal Pino en el IAG-USP es responsable de la construcción de tres de los nueve telescopios del ASTRI, en el marco de un Proyecto Temático que cuenta con el apoyo de la FAPESP.

Y en otro Proyecto Temático apoyado por la FAPESP, otro grupo de investigadores de la USP de São Carlos también está desarrollando el soporte de la cámara del telescopio de mediano porte (MST) del CTA, en colaboración con el equipo alemán del Observatorio.

Asimismo, otro grupo de científicos del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF) está desarrollando componentes estructurales para los telescopios de gran porte (LST) del CTA.

“El prototipo de los telescopios ASTRI ya está casi listo: se encuentra en su etapa final de pruebas, y la construcción de la parte mecánica y de las estructuras de los nueve telescopios empezará en poco tiempo más”, declaró De Gouveia Dal Pino a Agência FAPESP.