Rayos cósmicos, telescopios de rayos gamma: 




 El origen de los rayos cósmicos es un misterio que tiene un siglo. Observar el remanente de una supernova con detectores de alta energía, u ojos de rayos gamma, muestra que las partículas son probablemente aceleradas por esas explosiones extraordinarias. Se cree que los rayos cósmicos jugaron un papel principal en la evolución primitiva de la Tierra y en las primeras mutaciones de la vida.


 
Imagen de HESS en rayos gamma del remanente de una supernova.
Crédito: HESS
Imagen de HESS en rayos gamma del remanente de una supernova.
Crédito: HESS


Los astrónomos europeos han logrado la primera imagen de un objeto utilizando detectores de rayos gamma de alta energía, la forma de radiación más penetrante que se conoce. La imagen corresponde a un remanente de supernova llamado RX J1713.7-3946, que estalló hace mil años.

Con el correr del tiempo, un anillo de material se ha expandido hasta alcanzar el doble del tamaño de la Luna en el cielo. Si se tuvieran ojos de rayos gamma, se podría ver un enorme anillo en el cielo cada noche. Ésto también ayuda a resolver un misterio de 100 años sobre el origen de los rayos cósmicos; el remanente parece estar actuando como un acelerador de partículas.

Durante la historia más temprana de la Tierra, su superficie fue también bombardeada por partículas de alta energía asociadas con actividad solar (provenientes de un viento solar que fue más alto durante el principio de su historia, y por las llamaradas solares) y por rayos cósmicos galácticos, y posiblemente de supernovas cercanas y de sucesos asociados con estallidos de rayos gamma. Este bombardeo debe haber tenido efectos letales para la vida sobre la superficie de la Tierra, y puede haber afectado severamente la formación y la evolución temprana de la vida.

El resultado, publicado en la revista Nature, fue logrado utilizando el Sistema Estereoscópico de Alta Energía (H.E.S.S. = High Energy Stereoscopic System), un conjunto de cuatro telescopios en Namibia, África Sud-occidental. La Dra. Paula Chadwick de la Universidad de Durham dijo: “Esta imagen representa un gran paso para la astronomía de rayos gamma, y el remanente de supernova es un objeto fascinante. Si se tuvieran ojos de rayos gamma y se estuviera en el hemisferio sur, sería posible ver un gran y brillante anillo en el cielo de cada noche”.
El Dr. John Horack, que dirigió el programa para la conjunción, comprobación y calibración del ><a href=http://www.batse.msfc.nasa.gov/batse/ target=_blank>experimento</a> de estallido de rayos gamma en el Observatorio Compton de Rayos Gamma de la NASA.
Crédito: D. Rezabek
El Dr. John Horack, que dirigió el programa para la conjunción, comprobación y calibración del experimento de estallido de rayos gamma en el Observatorio Compton de Rayos Gamma de la NASA.
Crédito: D. Rezabek


El profesor Ian Halliday, Oficial Ejecutivo en Jefe del Consejo de Investigación de Física de Partículas y Astronomía con base en el Reino Unido, dijo: “Estos resultados proporcionan la primera prueba inequívoca de que las supernovas son capaces de producir grandes cantidades de rayos cósmicos galácticos, algo que habíamos sospechado por largo tiempo pero que nunca habíamos sido capaces de confirmar”.

Para colocar a este hallazgo en perspectiva, Astrobiology Magazine tuvo la oportunidad de conversar con John Horack, quien dirigió el programa para la conjunción, comprobación y calibración del experimento de estallido de rayos gamma en el Observatorio de Rayos Gamma Compton de la NASA.


 

John Horack (JH): Ha habido telescopios de rayos gamma en el pasado; por ejemplo el experimento COMPTEL a bordo del Observatorio de Rayos Gamma (GRO = Gamma Ray Observatory) Compton de la NASA fotografió al cosmos en rayos gamma durante casi 10 años desde una órbita terrestre baja. Lo revolucionario aquí, tal como yo lo comprendo, es que ahora estamos tomando fotografías en rayos gamma desde el suelo.

JH: Los estallidos de rayos gamma son muy diferentes a los remanentes de supernova, por supuesto; pero sí, tiene sentido intentar hacerlo... y los científicos lo han estado intentando desde su descubrimiento en 1967. El problema con los estallidos de rayos gamma es que no se sabe de dónde vendrá el próximo, y por lo tanto tratar de adivinar hacia donde apuntar el telescopio es algo así como un disparo en la oscuridad. Los primeros experimentos con estallidos de rayos gamma utilizaron muy grandes angulares para encontrar y ver la dirección de los estallidos calculándola por medio de estudiar la diferencia temporal de la detección con experimentos muy separados en el espacio.

Luego, experimentos como el BATSE en el GRO Compton utilizaron detectores que podían observar todo el cielo al mismo tiempo, capturando así cualquier estallido de rayos gamma lo suficientemente fuerte, y determinar la dirección por el brillo relativo en cada uno de los ocho detectores apuntados en direcciones diferentes. El BeppoSAX holandés-italiano era realmente capaz de capturar los estallidos de rayos gamma en el mismo momento en que se producían al hacer cambiar rápidamente de dirección el telescopio de la nave luego de una detección.

En la actualidad, experimentos como el Experimento Transitorio de Alta Energía (HETE = High Energy Transient Experiment) y SWIFT ofrecen las mejores oportunidades que hayamos tenido nunca para capturar a un estallido de rayos gamma “en el acto mismo” ya sea al detectar la emisión de rayos gamma o de rayos-X en el mismo momento en que está ocurriendo el estallido, o muy poco después de que haya comenzado.

El Telescopio de Rayos Gamma HESS.
La luz Cherenkov desarrollándose dentro de una llovizna aérea. Como la partícula se mueve más rápidamente que la velocidad de la luz en el aire, hay una explosión sónica u onda de choque que lanza un destello de luz azul en la dirección del cuanto gamma primario que dura unas pocas milmillonésimas de segundo. Esto sucede a 6,3 kilómetros sobre la superficie de la Tierra.
Crédito: Hess Collection
El Telescopio de Rayos Gamma HESS.
La luz Cherenkov desarrollándose dentro de una llovizna aérea. Como la partícula se mueve más rápidamente que la velocidad de la luz en el aire, hay como una explosión sónica u onda de choque que lanza un destello de luz azul en la dirección del cuanto gamma primario que dura unas pocas milmillonésimas de segundo. Esto sucede a 6,3 kilómetros sobre la superficie de la Tierra.
Crédito: Hess Collection

JH: La atmósfera de la Tierra impide que la radiación gamma llegue al suelo, y los rayos gamma están comúnmente asociados con objetos que posean mucha más energía, tales como agujeros negros, estrellas neutrónicas, supernovas y quásares. Apuntar un telescopio espacial de rayos gamma hacia un planeta no es algo terriblemente útil, ya que los planetas son “oscuros” cuando se los observa en esa longitud de onda, y sus tamaños angulares, tal como se los ve desde la Tierra, son increíblemente pequeños comparados con la resolución de ese tipo de telescopios.

Visto en rayos gamma, ni siquiera el Sol es el objeto más brillante del cielo. La Nebulosa del Cangrejo, Cygnus X-1, y un montón de otras fuentes son típicamente más brillantes en dicha radiación.

Sencillamente, el universo es mucho más rico en fenómenos exóticos, energéticos y explosivos como para perder el tiempo tratando de detectar rayos gamma provenientes de Venus. Una cosa que se aprendió con BATSE, sin embargo, es que las tormentas eléctricas terrestres crean grandes, aunque breves, destellos de una intensa radiación gamma que se mueve hacia afuera y que es observable desde una órbita terrestre baja. Ésto fue una sorpresa total, y uno de esos descubrimientos que suceden en la ciencia que nunca podría haber sido predicho antes del lanzamiento de BATSE en 1991.

AM: Una cosa curiosa sobre HESS y su relación con los detectores de rayos gamma del pasado, es la
base para tener un telescopio espacial. ¿Cómo es que HESS ve esos objetos cuando la atmósfera es opaca; lo hace buscando sub-productos en la atmósfera superior, como ser la radiación Cherenkov, lo que lo hace más un ojo Cherenkov que un verdadero ojo gamma?.

JH: HESS no detecta directamente los rayos gamma, ya que estos no llegan hasta el suelo. De modo que sí, está detectando la evidencia de un rayo gamma, y no al rayo gamma en sí mismo.

La Nebulosa del Cangrejo en rayos-X mostrando su chorro central principal.
Crédito: NASA
La Nebulosa del Cangrejo en rayos-X mostrando su chorro central principal.
Crédito: NASA

Esta evidencia es llamada radiación Cherenkov, y se produce cuando un objeto tal como una partícula con alta energía se mueve más rápidamente que la luz en el medio en el cual está viajando. Nótese, por favor, que esta velocidad NUNCA es mayor que la velocidad de la luz en el vacío. Como ejemplo, la velocidad de la luz en el agua es menor que la velocidad de la luz en el vacío. Nada puede viajar más rápido que la luz en el vacío. Pero si un electrón se mueve en el agua a una velocidad menor que la de la luz en el vacío, pero mayor que la de la luz en el agua, emitirá una radiación que puede ser detectada, llamada radiación Cherenkov. Ésto es lo que detecta HESS, proveniente de partículas creadas por la interacción de los rayos gamma que están llegando, con la atmósfera superior.

AM: El origen de los rayos cósmicos es atribuido a las supernovas, a causa de su anillo brillante. ¿No existen teorías acerca de que los rayos gamma están solamente siendo acelerados en el plasma de la supernova, y no originándose allí?.

JH: El origen de los rayos gamma es una cuestión de larga data, y la predicción de una asociación entre los rayos cósmicos y las supernovas se remonta hasta fines de la década de 1930. De modo que este resultado ayuda a fijar esa cuestión, y puede permitir a los científicos continuar con la comprensión de los detalles físicos acerca de como esa producción tiene lugar en dicho ambiente.

AM: ¿Alguna idea de hacia dónde apuntar ésto próximamente, como ser nuestro Sol o incluso la post-luminosidad de los estallidos?.

JH: Me encantaría observar algunos objetos del hemisferio norte, tales como la Nebulosa del Cangrejo, Cygnus X-1, o la posibilidad de detección de cosas tales como emisiones transitorias de rayos-X en el centro galáctico. De hecho, esta es una de las cosas más interesantes sobre el cielo de alta energía: cambia muy frecuentemente, y el objeto más brillante en el cielo de hoy, puede no seguir siéndolo en el cielo de mañana.

Las cosas pueden cambiar en escalas de tiempo de minutos, días, o semanas.



Los telescopios HESS son diez veces más sensibles que los telescopios Cherenkov anteriores. Cada recolector HESS tiene un diámetro de doce metros, y 380 espejos redondos individuales que suman un área superficial recolectora de luz de 108 metros cuadrados. La cámara permite tiempos de exposición de apenas una cienmillonésima de segundo. El acrónimo HESS alude al físico austríaco Viktor Hess (1883-1964), quien descubrió los rayos cósmicos durante diez vuelos en globo realizados entre 1911 y 1913. En 1936, recibió el Premio Nobel de Física.

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