Un telescopio de agua para ver el lado más caliente y violento del universo

telescopio de agua

Un telescopio de agua para ver el lado más caliente y violento del universo desde el hemisferio sur

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El observatorio a gran altura de agua Cherenkov, o HAWC por sus siglas en inglés, en México. HAWC Observatory
Alejandro Márquez Lugo, Universidad de Guadalajara

¿Es posible captar la luz en forma de rayos gamma originada por los fenómenos más calientes y violentos del universo? Para complicar aún más la cosa, resulta que esa luz ni siquiera puede alcanzar la superficie terrestre. Descartados los instrumentos ópticos convencionales, ¿qué tal si usamos un telescopio de agua?

Esta es la historia de cómo, con ingenio, aprovechando distintos fenómenos naturales y gracias a la cooperación de ingenieros, astrofísicos y otros especialistas de 24 países, resulta posible registrar lo que en un principio parecía inalcanzable. Y hacerlo por primera vez desde el hemisferio sur, para observar agujeros negros supermasivos en el núcleo de la Vía Láctea.

Un enorme remolino de gas caliente brilla con luz infrarroja, marcando la ubicación aproximada del agujero negro supermasivo Sagitario A* en el corazón de la Vía Láctea.
En esta imagen, un enorme remolino de gas caliente brilla con luz infrarroja, marcando la ubicación aproximada del agujero negro supermasivo Sagitario A* en el corazón de la Vía Láctea. NASA, ESA, SSC, CXC, STScI

La radiación térmica y la cuerdas del gimnasio

Imagine que va al gimnasio y se coloca frente a las pesadas y gruesas “cuerdas de batalla”. Su objetivo es agitarlas para producir ondulaciones. Comienza de manera discreta. Levanta pausadamente las cuerdas. Luego las baja, despacio, una vez por segundo. Las ondas que produce son largas, con una frecuencia de una onda por segundo.

De momento todo está tranquilo, pero ve llegar a esa persona que le acelera el corazón y le alegra la mirada. No puede dar la impresión de ser un vago. Necesita aumentar la frecuencia de esas ondas a la par que aumenta su frecuencia cardiaca. Ahora produce dos ondas por segundo, pero cuando la persona en cuestión se coloca frente a las cuerdas que están junto a usted, aumenta a tres ondas por segundo. Ahora las ondulaciones son más cortas y su frecuencia es mayor. Comienza a sudar y a agitarse. Ha entrado en calor.

Eso mismo sucede con un importante mecanismo de emisión de luz, la llamada radiación térmica. La luz es una ondulación de los campos eléctrico y magnético. Estas ondulaciones son producidas por los movimientos de las partículas con carga eléctrica del cuerpo emisor. Si la temperatura del cuerpo es baja, sus partículas tienen movimientos tranquilos, de baja frecuencia, lo mismo que las ondas electromagnéticas que producen. Si el cuerpo tiene una temperatura alta, sus partículas se agitan de forma violenta y producen ondas electromagnéticas de alta frecuencia y con una longitud de onda corta.

Las nubes moleculares más frías del universo emiten principalmente luz de baja frecuencia y gran longitud de onda, esto es, ondas de radio. Mientras que objetos progresivamente más calientes tienden a emitir luz con longitudes de onda más cortas. Son las microondas, el infrarrojo, la luz visible del rojo al violeta, el ultravioleta, los rayos X y, en el extremo de los objetos más calientes, se producen abundantes rayos gamma, la luz más energética de todas.

Agujeros negros y supernovas

Algunos de los fenómenos más intrigantes del universo, como los agujeros negros y las supernovas, son escenarios en los que la materia es sometida a condiciones de presión y temperatura tan extremas que terminan emitiendo intensamente rayos gamma.

Por desgracia para los astrofísicos, aunque afortunadamente para el resto de los seres vivos de la Tierra, esta luz de tan alta energía que es capaz de destruir moléculas arrancando electrones de sus órbitas y que podría matarnos al instante es bloqueada muy efectivamente por la atmósfera terrestre.

Esto podría llevarnos a pensar que la única forma de captar los rayos gamma del espacio es poner el telescopio en órbita. De hecho, esto es lo que pasa con el telescopio espacial Fermi. Pero existe una forma de estudiar los rayos gamma originados por los fenómenos astrofísicos más extremos desde la superficie terrestre.

El lío que arman los rayos gamma al entrar en la atmósfera

Cuando ingresan a la atmósfera, los rayos gamma impactan a los átomos de esta con tanta fuerza que se producen reacciones en cadena de ruptura y creación de partículas subatómicas. Algo parecido a lo que sucede en el Gran Acelerador de Hadrones en el CERN. Estas reacciones crean una cascada de partículas en colisión junto con radiación secundaria, las llamadas air-shower, o en español, cascadas atmosféricas.

Debido a que los rayos gamma suministran una gran cantidad de energía a las partículas de las cascadas atmosféricas, algunas de ellas logran superar la velocidad de la luz en el aire. Ojo, estamos hablando de superar la velocidad de la luz en un medio material, en este caso aire. También podría ser en agua, en vidrio, o en otro material. Pero no en el vacío, ya que, hasta donde sabemos, esto último es imposible.

Y es aquí donde aparece la magia. Cuando una partícula viaja más rápido que la luz en un medio material, emite un brillo de color azul. Esto es conocido como efecto Cherenkov y la luz emitida es llamada radiación Cherenkov. Podemos pensar en el efecto y radiación Cherenkov como análogos lumínicos de la ruptura de la barrera del sonido y del choque sónico que provocan los modernos aviones de combate al sobrepasar la velocidad del sonido.

Los telescopios MAGIC, en las islas Canarias; VERITAS, en Arizona; H.E.S.S., en Namibia y, próximamente, los CTAO, en Chile y también en Canarias, están diseñados para captar la radiación Cherenkov que se produce en la alta atmósfera.

Pero hay una alternativa a esta forma de captar la tenue radiación Cherenkov atmosférica. Consiste en colocar a gran altura, a partir de unos 4 400 metros sobre el nivel del mar, contenedores con agua ultrapura y con detectores de radiación Cherenkov en su interior. La idea es interceptar las cascadas atmosféricas con los contenedores para que se produzca el efecto Cherenkov en el agua.

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Esquema de funcionamiento del telescopio, con sus depósitos de agua ultrapura. SWGO

Observar todo el cielo las 24 horas

La detección de la radiación Cherenkov en agua tiene algunas ventajas sobre la detección en aire. No hace falta esperar a la noche para captar los destellos azules en el aire. Con los contenedores debidamente cerrados, se puede oscurecer su interior y hacer observación las 24 horas.

Además, los telescopios Cherenkov en agua permiten la observación simultánea de todo el cielo, lo que los astrónomos llamamos observación de campo amplio. Esto es debido a que no dependen de detectores orientables que buscan la radiación Cherenkov de las cascadas atmosféricas provenientes de ciertas zonas del cielo, sino del destello azul que se produce dentro del mismo contenedor.

Este método ya se usa exitosamente en los observatorios HAWC, en México, y LHAASO, en China, ambos registrando desde el hemisferio norte. Pero hasta la fecha no existe un instrumento de este tipo en el hemisferio sur.

Conjunto de detectores Cherenkov de agua en el observatorio chino LHAASO.
Conjunto de detectores Cherenkov de agua en un contenedor del observatorio chino LHAASO. LHAASO

Nuevo observatorio austral

La próxima puesta en marcha en Sudamérica del Observatorio Austral de Campo Amplio en Rayos Gamma (Southern Wide-field Gamma-ray Observatory o SWGO) permitirá observar la región del núcleo de la Vía Láctea donde se encuentra el agujero negro supermasivo de Sagitario A* y otras muchas e interesantes fuentes de rayos gamma. También ofrece un potencial significativo para los estudios de rayos cósmicos y la anisotropía, es decir, la variabilidad de las cualidades de la materia en función del punto de observación.

La colaboración del SWGO está conformada por 86 instituciones de investigación científica de catorce países: Alemania, Argentina, Brasil, Chile, China, Corea del Sur, Croacia, Estados Unidos de América, Italia, México, Perú, Portugal, Reino Unido y República Checa. Cuenta con el apoyo de científicos de otras naciones, como Australia, Bolivia, Costa Rica, Eslovenia, España, Francia, Japón, Polonia, Suiza y Turquía. En total, el proyecto reúne una comunidad global de más de 24 países repartidos por cuatro continentes.The Conversation

Alejandro Márquez Lugo, Profesor Investigador en Astrofísica, Universidad de Guadalajara

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.