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La Astronomía de rayos gamma de alta energía: los telescopios MAGIC

A veces pensamos en la luz como en aquella forma de radiación gracias a la cual podemos ver. Pero esta luz (llamada visible por motivos obvios) no es sino una manifestación particular de un fenómeno más amplio. La luz está formada por ondas electromagnéticas de una determinada longitud de onda. A menor longitud de onda, mayor es la energía asociada a la onda. La longitud de onda de la luz visible está comprendida entre las 0.4 y 0.7 micras [1],y los diferentes colores corresponden a longitudes de onda más precisas dentro de este rango [2]. Por encima de 0.7 micras, y hasta 0.1 milímetros, tenemos la luz infrarroja, a la cual el ojo humano ya no es sensible. A partir de longitudes de 1 milímetro, y hasta los miles de kilómetros, se consideran ondas de radio. A longitudes de onda menores que 0.4 micras tenemos la luz ultravioleta, los rayos X y, los de menor longitud de onda (o mayor energía): los rayos gamma.

Desde la prehistoria el hombre se sirvió de la luz visible que emiten o reflejan los astros del cielo para realizar observaciones astronómicas. Primero, a ojo desnudo y, desde el siglo XVII, utilizando telescopios cada vez más potentes. Sin embargo, a lo largo del siglo XX se desarrollaron instrumentos astronómicos capaces de captar la luz no visible. ¿Por qué queremos observar otros tipos de luz? Las estrellas «normales», como el Sol, son objetos comparativamente fríos, y producen sobre todo luz visible. Sin embargo, existen en el Universo multitud de objetos y fenómenos que sólo (o también) pueden ser observados con instrumentos sensibles a otras longitudes de onda. Un ejemplo: las erupciones solares producen luz a todas las longitudes de onda, desde radio hasta rayos gamma. Para llegar a comprenderlas, necesitamos observarlas en todo el espectro electromagnético. Existen, además, regiones del espacio que no podemos observar mediante la luz visible, debido a que se hallan ocultas por nubes de polvo, que absorben la luz visible, y la convierten en luz infrarroja. Las estrellas más calientes, normalmente las más jóvenes, emiten mayor cantidad de luz ultravioleta que visible. Los fenómenos más violentos emiten luz aún más energética: por ejemplo, los restos de una explosión de supernova son observados en rayos X y gamma. Algunos agujeros negros acumulan discos de materia orbitando alrededor, que emiten principalmente rayos X, debido a su alta temperatura. En ocasiones, parte de esta materia es expulsada en forma de chorros de materia acelerada hasta velocidades próximas a la de la luz, lo que produce ondas de radio, rayos X y rayos gamma. Resulta obvio que limitándonos a observaciones con luz visible, nos estamos perdiendo una parte importante del Universo.

En el siguiente esquema se muestran, encuadrados, los diferentes tipos de luz ordenados de menor a mayor longitud de onda. La escala superior muestra la energía [3], y la inferior la longitud de onda. Bajo la escala podemos ver un esquema en donde se muestra (línea gruesa) la altura aproximada sobre la superficie de la tierra a la que los diferentes tipos de radiación son absorbidos, así como el tipo de instrumento que se utiliza para observar cada una de ellas.

 

Sólo la luz visible y las ondas de radio consiguen llegar hasta la superficie de la Tierra sin ser absorbidas en la atmósfera. Esto permite realizar observaciones astronómicas en estas longitudes de onda utilizando telescopios desde tierra, y explica por qué la astronomía óptica y la de radio son las más avanzadas. Sólo con la llegada de los satélites se desarrollaron la astronomía de luz infrarroja, la ultra violeta, de rayos X y rayos gamma, ya que gracias a aquéllos la radiación puede ser observada antes de que sea absorbida en la atmósfera.

Existe una excepción: la radiación gamma de alta energía, la cual es absorbida por la atmósfera pero que, sin embargo, se observa con telescopios desde tierra. Esto se consigue utilizando un método indirecto de detección. Cuando un rayo gamma llega a la parte alta de la atmósfera terrestre, colisiona con los átomos del aire, produciendo una especie de cascada con múltiples partículas de alta energía. Esta cascada, a su vez, emite un flash de luz (de un color azulado tirando a violeta) al desplazarse por la atmósfera. Gracias a esta luz (llamada de Cherenkov en honor a su descubridor) se puede fotografiar la cascada de partículas, y por la forma e intensidad de la imagen podemos deducir si fue originada por un rayo gamma, qué energía tenía el mismo, y de qué lugar provenía. Ahora bien, si la luz Cherenkov que produce la cascada de partículas es de color azulado, ¿cómo es que no la vemos a ojo desnudo? Muy sencillo, porque todo este proceso ocurre en un brevísimo lapso temporal, de unas pocas milmillonésimas de segundo. Además, la intensidad de la luz que se produce es muy baja. Por ello necesitamos telescopios con grandes espejos (para colectar la máxima cantidad posible de luz) y cámaras ultra-sensibles y ultra-rápidas, capaces de tomar estas fotografías a una velocidad de dos mil millones de exposiciones por segundo. Este tipo de telescopios recibe el nombre de telescopios Cherenkov.

La astronomía de rayos gamma con telescopios Cherenkov comenzó con la construcción del primero de ellos, llamado WHIPPLE, en 1968, pero hasta 1989 no se consiguió detectar la primera fuente astronómica de rayos gamma (la Nebulosa del Cangrejo). Desde entonces, el campo ha sufrido una auténtica revolución. En la actualidad funcionan en el mundo cuatro observatorios con varios telescopios Cherenkov de segunda generación, y ya se están diseñando los instrumentos de la tercera. El número de fuentes detectadas asciende a unas 80, y el catálogo crece de forma sostenida. Dos de estos instrumentos se hallan en el Observatorio del Roque de los Muchachos, en la isla canaria de La Palma y reciben el nombre de telescopios MAGIC (del inglés Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov telescopes). La construcción, operación y explotación científica de estos instrumentos corre a cargo de un grupo internacional de científicos de centros de investigación de Alemania, España, Italia y Suiza. En España, participan miembros del Instituto de Física de Altas Energías, la Universidad Complutense de Madrid, la Universidad Autónoma de Barcelona, la Universidad de Barcelona, el Instituto de Ciencias del Espacio, el Instituto de Astrofísica de Andalucía y el Instituto de Astrofísica de Canarias.

En la fotografía pueden verse: a la izquierda MAGIC-I, en funcionamiento desde final de 2003 y, a la derecha, MAGIC-II, cuya construcción ha finalizado en 2009 y que comienza a observar junto con su hermano gemelo durante este verano. A efectos prácticos, los dos telescopios conforman un único instrumento: apuntan en la misma dirección, tomando fotografías de las mismas cascadas con perspectivas ligeramente diferentes. Gracias a ello, podemos conocer con mayor precisión si la cascada fotografiada ha sido producida por un rayo gamma o no, así como la energía del mismo y la dirección de la que proviene. La característica principal de los telescopios MAGIC es que poseen los mayores espejos de entre todos los de su clase, de un diámetro de 17 m. Esto permite recoger una mayor cantidad luz de una misma cascada y, por tanto, fotografiar cascadas más tenues o, lo que es lo mismo, producidas por rayos gamma de energías más bajas. En este sentido MAGIC es un instrumento único, ya que es sensible a un rango de energías en el cual ningún otro instrumento en el mundo puede observar. La estructura sobre la que están montados los espejos está construida a base de fibra de carbono, y su ligereza permite reorientar los telescopios a cualquier posición del cielo en menos de 50 segundos. Gracias a ello, MAGIC participa en el estudio de los llamados estallidos de rayos gamma, de muy corta duración y localización imprevisible.

Los rayos gamma son la forma de radiación electromagnética más energética que se conoce y, por tanto, sólo procesos que involucran una gran cantidad de energía, en general en ambientes violentos, son capaces de producirlos. Éstos incluyen estrellas en estados tardíos de su evolución, principalmente: supernovas, sistemas binarios que contienen una estrella de neutrones o un agujero negro, púlsares y micro-quasares. Asimismo, galaxias que contienen un agujero negro supermasivo, estallidos de rayos gamma y, quizás, cúmulos  de galaxias. También los producirían de manera apreciable, y en caso de existir, determinadas acumulaciones de materia oscura en nuestra Galaxia. El objetivo de la astronomía de rayos gamma es doble: por un lado, se pretende estudiar y conocer mejor los objetos que producen los rayos gamma; por otro, utilizar lo aprendido para resolver algunas cuestiones fundamentales de la física, tales como el origen de los rayos cósmicos, la naturaleza de la materia oscura o realizar tests de invariancia de la velocidad de la luz. Veamos a continuación algunos ejemplos con más detalle.

  • Supernovas. Cuando una estrella pesada consume todo su combustible nuclear, a menudo produce una violenta explosión, lo que conocemos por una supernova, en la que gran parte de la materia de la estrella es enviada al espacio a gran velocidad. La colisión de esta materia con el medio interestelar se conoce como resto de supernova, y produce radiación electromagnética en todo el espectro, incluyendo rayos gamma. Estudiando los rayos gamma de los restos de supernova podemos determinar cómo se produjeron éstos. Una cuestión fundamental es: ¿los producen colisiones de electrones o de protones? Si somos capaces de responder a esta pregunta estaremos contestando a una cuestión científica que lleva pendiente de respuesta desde hace cien años: ¿cuál es el origen de los rayos cósmicos? Estos rayos cósmicos son partículas cargadas (en su mayoría protones) que bombardean continuamente la atmósfera terrestre en todas direcciones (y que, en parte, son responsables de la evolución de las especies ya que producen mutaciones genéticas). Pues bien, se piensa que el origen de los rayos cósmicos son, precisamente, las explosiones de supernova, pero hasta el día de hoy no se ha podido probar. Si demostramos que los rayos gamma de los restos de supernova son producidos por protones, podremos establecer dicho origen. MAGIC, con la detección de rayos gamma procedentes de tres restos de supernova (la Nebulosa del Cangrejo, IC-443 y Casiopea-A), está contribuyendo a resolver este enigma.
  • Púlsares. Las explosiones de supernova no lanzan toda la materia de la estrella original al espacio, parte de la misma colapsa por atracción gravitatoria y puede formar una estrella de neutrones. Estas estrellas tienen un radio de 10 km, pero una masa superior a la del Sol, y rotan sobre sí mismas a razón de decenas o centenares de veces por segundo. Esto produce un campo magnético mucho mayor que cualquiera accesible en el laboratorio (10 millones de veces más intenso que los del acelerador de hadrones LHC en el CERN), y vientos de partículas cargadas. La interacción de las partículas con el campo magnético produce radiación electromagnética en todo el espectro, desde ondas de radio hasta rayos gamma, que llega hasta nosotros de manera pulsada, por lo que estos objetos reciben el nombre de púlsares. Recientemente hemos podido observar con MAGIC la radiación de mayor energía del púlsar que se encuentra en el interior de la Nebulosa del Cangrejo, abriendo la posibilidad de estudiar la interacción de materia y radiación en condiciones físicas extremas, inaccesibles para los investigadores en los laboratorios.

  • Núcleos activos de galaxias. Muchas galaxias contienen, en su centro, un agujero negro supermasivo (de varios millones o más veces la masa del sol). La materia forma un disco alrededor del agujero negro y puede ser expelida en forma de chorros de partículas con velocidades cercanas a la de la luz. Estos chorros producen rayos gamma, que pueden ser detectados con los telescopios Cherenkov. Sin embargo, la distancia que los rayos gamma pueden viajar hasta llegar a la Tierra no puede ser infinitamente grande. Esto es debido a que, en su camino, no encuentran un espacio totalmente vacío. El espacio entre las galaxias está lleno de una tenue luz, llamada luz de fondo extragaláctica, producto las estrellas y el polvo durante toda la historia del Universo y que tiene la propiedad de absorber los rayos gamma. Ahora bien, sabemos que existe esta luz de fondo extragaláctica, pero no sabemos cuánta hay, y es difícil medir su cantidad con observaciones directas. Los rayos gamma de galaxias lejanas nos proporcionan un instrumento de medida indirecta. Básicamente, cuanto mayor es la distancia que pueden viajar los rayos gamma, menor ha de ser la cantidad de luz de fondo que encuentran en el camino, o de lo contrario aquéllos serían absorbidos. Por tanto, observar rayos gamma de galaxias lejanas equivale a medir la cantidad de luz de fondo atravesada y, de forma indirecta, a explorar la historia del Universo y de cómo y cuándo se formaron las estructuras (galaxias, cúmulos y súper-cúmulos de galaxias) que produjeron dicha luz. Con MAGIC detectamos, en 2008, rayos gamma procedentes de la galaxia 3C279, a una distancia de la Tierra de más de cinco mil millones de años luz. Esto quiere decir que los rayos gamma que observamos habían sido producidos cuando el Universo tenía una edad de poco más de la mitad que la actual. Fue un resultado sorprendente, que nos indica que la cantidad de luz de fondo extragaláctica es menor de lo que hasta entonces se pensaba.

  • Materia Oscura. Las observaciones astronómicas nos indican que el Universo esta compuesto de un 5% de materia ordinaria (que forma las estrellas y planetas), un 25% de materia oscura y un 70% de energía oscura. Tenemos la certeza sobre la existencia de la materia oscura porque observamos los efectos gravitatorios que produce sobre estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias, pero desconocemos de qué se trata exactamente, aunque existen varias posibilidades postuladas teóricamente. Algunas de estas teorías predicen que la colisión de partículas de materia oscura puede producir rayos gamma. Así, los telescopios Cherenkov son instrumentos únicos para la búsqueda y la identificación de este elusivo componente del Universo. MAGIC ha observado algunos de los lugares que teóricamente podrían albergar grandes cantidades de materia oscura, como son el centro de nuestra Galaxia y diversas de las galaxias enanas que orbitan alrededor de la misma. Hasta el momento, no se han detectado rayos gamma producidos por materia oscura, pero la búsqueda continúa…

La capacidad de los telescopios Cherenkov en el estudio de los fenómenos violentos del Universo ha sido ampliamente demostrada mediante los resultados obtenidos con la presente generación de telescopios Cherenkov, en operación desde 2002-2003. Por ello, la siguiente generación está en fase de diseño. El proyecto CTA (del inglés Cherenkov Telescope Array) planea aumentar la sensibilidad de las observaciones mediante la operación conjunta de no menos de 50 telescopios Cherenkov, de diferentes tamaños. Se prevé que el número de fuentes detectadas aumente hasta al menos 1000. La construcción de los primeros prototipos podría comenzar durante el próximo año. Los grupos de investigación españoles, que han tenido un papel destacado en el desarrollo de esta nueva astronomía desde sus orígenes y, principalmente, con su participación en MAGIC, contribuirán a la incesante mejora en nuestra comprensión del Cosmos, a través de este nuevo y excitante proyecto.

 


Notas a pie

[1] Una micra es la millonésima parte de un metro, o la milésima parte de un milímetro.
[2] Una micra es la millonésima parte de un metro, o la milésima parte de un milímetro.
[3] La unidad de energía mostrada es el electrón-voltio (eV), equivalente a la energía que adquiere un electrón cuando es acelerado por una diferencia de potencial de un voltio. A efectos de la discusión, baste saber que el espectro electromagnético incluye radiación desde un trillón (1018) de veces más hasta mil billones (1015) de veces menos energética que la luz visible.