En la meseta Norte del volcán Sierra Negra, a 4 mil 100 metros de altitud, el observatorio HAWC (High Altitude Water Cherenkov) ha comenzado el estudio de los fenómenos más energéticos del cosmos. Ubicado dentro del Parque Nacional Pico de Orizaba, a un kilómetro del Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano, con el que comparte infraestructura, HAWC fue inaugurado el 20 de marzo de 2015. A un año después, HAWC ha captado más de 500 mil millones de rayos cósmicos y detectado rayos gamma de decenas de objetos celestes.
Mapa del cielo visto en rayos gamma de energías TeV por HAWC. Están marcadas las tres fuentes puntuales más brillantes: de dere- cha a izquierda, la Nebulosa del Cangrejo, Markarian 421 y Markarian 501; y del lado izquierdo se aprecia la emisión del Plano de la Vía Láctea, tanto en el Cisne como la banda más al Sur.
Radiación gamma y cascadas atmosféricas
Los rayos gamma (γ) son el tipo más extremo de radiación electromagnética: mientras que los fotones asociados a la luz visible tienen energías de entre 2 y 3 electrón-volts (eV), los rayos γ alcanzan millones, o incluso billones de veces más energía. Son capaces de materializarse y producir, por ejemplo, un electrón y un positrón. Por fortuna, la atmósfera nos protege de fotones con energías de millones de eV1, los cuales tienen que ser detectados con telescopios espaciales, como Fermi. A energías aún mayores, los rayos γ tienen un efecto medible en la atmósfera: al incidir en la atmósfera el fotón produce un electrón y un positrón; estos a su vez emiten cada uno un fotón de forma que proceso desencadena una cascada atmosférica de partículas. Partículas de alta energía que inciden en la atmósfera terrestre, conocidas como rayos cósmicos, generan cascadas similares. Un rayo cósmicos o un rayo γ con una energía de un Tera-electrón volt1 produce una cascada con decenas de miles de partículas secundarias.
Observatorios de rayos gamma
Las cascadas atmosféricas pueden detectarse con telescopios Cherenkov atmosférico que se apuntan a objetos determinados para su estudio en detalle durante observaciones dedicadas. Los telescopios Cherenkov atmosférico requieren cielos oscuros y despejados. Debido a su limitado campo de visión y tiempo de observación son ineficientes para estudiar zonas extensas del firmamento.
Otra forma de estudiar rayos γ de muy alta energía es con arreglos de detectores que registran las partículas secundarias de las cascadas. Además de tener un campo de visión grande, descrito por un cono de 45º alrededor del cenit, estos arreglos funcionan las 24 horas del día sin ser afectados por condiciones climáticas. Milagro fue el primer observatorio Cherenkov de agua con la capacidad de distinguir rayos γ de rayos cósmicos y así realizar estudios astronómicos. En operación entre 1999 y 2008, MILAGRO detectó la nebulosa del Cangrejo, la galaxia activa Mrk 421 y dos regiones del plano de la Galaxia. Milagro estaba situado en Nuevo México a 2 mil 600 m de altitud; sus resultados sirvieron para promover un mejor arreglo a una mayor altitud: HAWC. Siguiendo el ejemplo de Milagro, HAWC opera continuamente detectando objetos que transitan sobre Sierra Negra. El campo de visión de HAWC equivale a 15 por ciento del cielo y barre 2/3 del mismo cada día sideral. Esto le permite observar diariamente cada objeto que transita en su campo de visión por hasta seis horas, acumulando gradualmente una exposición cada vez más profunda. HAWC es capaz de detectar la nebulosa del Cangrejo en un solo tránsito, separando 400 rayos γ de este objeto de mil 700 millones de eventos diarios.
El mapa de primer año de HAWC
Al cumplir el primer año desde la inauguración, la colaboración HAWC ha hecho público un mapa que abarca 70 por ciento del cielo visto a energías de alrededor de 1 TeV dominado por tres fuentes puntuales brillantes, y decenas de objetos a lo largo del plano de la Vía Láctea. Este mapa es similar al de MILAGRO, como es de esperarse; pero, al ser mucho más profundo, revela mayores detalles. Los principales rasgos son:
— La nebulosa del Cangrejo, asociada a la supernova del año 1052, contiene uno de los primeros pulsares descubiertos. La emisión pulsada de estos objetos, muy brillante en rayos X y rayos γ de baja energía, rara vez alcanza energías por encima de decenas de GeV. La interacción de partículas de alta energía provenientes del pulsar con el remanente de la supernova domina la emisión vista por HAWC. Al ser la fuente más brillante del cielo, el Cangrejo es la fuente de referencia para el instrumento: se emplea como calibración, para afinar métodos de separación entre fotones y rayos cósmicos, y verificar la resolución angular. HAWC es el único instrumento capaz de hacer un seguimiento diario y continuo del Cangrejo en estas energías.
— Menos esperadas son las detecciones de las nebulosa centradas en Geminga y cerca del pulsar PSR 0656+14. Geminga es un pulsar menos energético que el Cangrejo pero que estando 20 veces más cercano, también destaca en el cielo. La emisión extendida de Geminga, detectada marginalmente con MILAGRO, aparece claramente en HAWC.
— Markarian 421 y 501 son dos galaxias activas de tipo BL Lac, las cuales son dominadas casi enteramente por su núcleo, donde se cree que reside un hoyo negro con una masa de mil millones de veces la del sol, ingiriendo enormes cantidades de materia. Estos dos objetos aparecen prominentes en HAWC y son monitoreados de manera diaria. Muestran clara variabilidad, de manera que Mrk 421 a veces rebasa en brillo al Cangrejo. Mrk421 y Mrk 501 son galaxias activas relativamente cercanas. Los rayos γ de alta energía interaccionan con luz extragaláctica limitando observaciones a un horizonte de unos 10,000 millones de añosluz. Hay varias galaxias activas, tanto blazares como radiogalaxias, dentro de este rango, las cuales están siendo investigadas. Su estudio revelará tanto acerca de ellas como de la luz extragaláctica.
— En el plano de la Galaxia se distinguen dos regiones de emisión intensa, una de las cuales corresponde a Cygnus. HAWC ha detectado alrededor de 40 objetos en la Galaxia, de los cuales la cuarta parte no habían sido reportados anteriormente. Muchos de los objetos detectados son extendidos e interpretados como enormes nubes de gas o remanentes de supernova, permeadas por rayos cósmicos relativistas.
Este mapa nos da una probada de lo que irá viendo HAWC. El acumular una exposición de cielo cada vez más profunda nos permitirá estudiar estos objetos en mayor detalle, además de revelar nuevas fuentes aún por debajo del umbral de detección. Entre los pendientes está el determinar si los destellos de rayos gamma son capaces de emitir fotones con energías de TeV. HAWC ha acechado varios de estos eventos, pero sin la suerte de tener uno propicio dentro de su campo de visión para poder probar la emisión de mayor energía. Asimismo, HAWC opera de manera coordinada con observatorios como los telescopios Cherenkov atmosférico FACT, MAGIC y Veritas; el telescopio espacial de rayos γ Fermi-LAT, y el de rayos X Swift; y ha dado seguimiento puntual a reportes de neutrinos astrofísicos por IceCube y, más recientemente, de ondas gravitacionales con LIGO.
Los planes a corto plazo incluyen la expansión de HAWC con un arreglo periférico de tanques de pequeñas dimensiones distribuidos de manera dispersa que le permitirá ampliar sus capacidades en las energías más altas, por encima de 10 TeV.
HAWC es una colaboración de cerca de 30 instituciones de México y Estados Unidos, a la que recientemente se han incorporado el instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg, Alemania, y la Universidad de Cracovia en Polonia, además de la participación de un investigador asociado de la Universidad de Costa Rica.
Nota
MeV por Mega-electrón Volt: 1 MeV = 1 000 000 eV; GeV por Giga-eV: 1 GeV = 1 000 000 000 eV; 1 TeV por Tera-eV: 1 TeV = 1 000 000 000 000 eV.
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