Destellos de rayos gamma

Antecedentes sobre los Destellos de Rayos Gamma

 

Los destellos de rayos gamma (GRBs por sus siglas en inglés), son las explosiones más violentas conocidos en el Universo (Mészáros, 2013). Su descubrimiento ocurrió por casualidad a fines de los años 60´s, cuando los detectores a bordo de los satélites Vela, puestos en órbita por el gobierno de los Estados Unidos unos años antes con el propósito de monitorear, desde el espacio, la posible existencia de pruebas nucleares clandestinas por parte de la Unión Soviética.

Para este fin los satélites Vela contaban con detectores de rayos gamma, los cuales son partículas similares a los fotones de la luz ordinaria pero de mucho mayor energía, que se producen como subproducto en las explosiones nucleares. Después de algún tiempo de tomar datos en forma sistemática se descubrieron los destellos, también llamados ráfagas, de rayos gamma provenientes del espacio exterior de origen natural, es decir, no relacionado con explosiones nucleares de origen humano  (Rees M, 2000).

Para que el lector tenga una idea de la energía involucrada en las explosiones que originan los destellos de rayos gamma, podemos decir que la energía electromagnética liberada por un GRB durante algunos segundos es comparable con la energía que una estrella típica como nuestro Sol liberara en un lapso de tiempo de 10 mil millones de años! (Rees M, 2000).

Hasta ahora los GRBs solo se han detectado por instrumentos a bordo de satélites, aunque se buscan también por observatorios en tierra.  La frecuencia con la que se detectan es de alrededor de una docena cada año. Su detección es muy importante debido a que los fotones de alta energía, producidos en estos eventos, viajan en línea recta, a diferencia de las partículas cargadas que son  afectados por los campos magnéticos que existen en nuestra galaxia y en el espacio intergaláctico. Por esta razón se puede obtener información precisa sobre la localización espacial de los objetos que los producen.

 

Simulaciones que ayudan en la detección y estudio de los GRBs

 

Una de las propuestas para estudia los GRBs, sus propiedades y características, involucra el diseño, desarrollo, construcción y mantenimiento de instrumentos especializados; estos pueden estar orbitando la tierra, por ejemplo en satélites,  ó en observatorios ubicados en la Tierra.

En las simulaciones por computadora se pueden reproducir las condiciones de un experimento y su entorno de manera virtual, sin tener que construir dispositivos complejos, maquinarias o equipos electrónicos sofisticados y evitar gastos, lo que permite conocer de antemano y con un alto grado de precisión cuales serán los posibles resultados y desempeño de los experimentos. Todo ello se reproduce mediante programas de computadora que pueden ser manejados por una sola persona en una computadora de escritorio, inclusive hasta en tabletas, teléfonos celulares “inteligentes” y computadoras portátiles. Dependiendo del grado de complejidad de las simulaciones, el tiempo que los equipos de cómputo requieren para arrojar resultados podrá ser considerablemente mayor, de tal manera que una simulación de un fenómeno físico complejo podría tomar decenas de años en una computadora casera.

Al inicio de una simulación se definen las condiciones iniciales, mismas que son procesadas por la computadora resolviendo ecuaciones que pertenecen a  modelos matemáticos que describen puntualmente el desarrollo del fenómeno. El resultado sirve como insumo para un nuevo conjunto de cálculos, y así, una y otra vez hasta que se cumplan ciertas condiciones propias de los modelos, este proceso puede repetirse unas pocas veces (decenas) o puede que se requieran miles de millones para lograr algún resultado.

 

Simulaciones a gran escala en el Laboratorio Nacional de Supercómputo del Sureste de México

 

Cuando un fotón de alta energía interactúa con los núcleos de los átomos que constituyen nuestra atmósfera, produce un chubasco de partículas secundarias que a su vez vuelven a interactuar, esto se repite hasta que ya no hay suficiente energía para ello. En este proceso algunas partículas, dependiendo de su naturaleza y propiedades,  depositan toda su energía  y ya no siguen su camino, otras alcanzan a llegar a los detectores dejando señal que se puede analizar y eventualmente realizar afirmaciones; esto requiere de la construcción y operación de dispositivos que permitan registrar las señales  producidas por las partículas pertenecientes al  desarrollo del chubasco.

Lo anterior puede simularse con programas de computadora muy sofisticados que se encargan de calcular las ecuaciones involucradas en el modelo físico y matemático del fenómeno, esto se realiza para cada una de las partículas que se van produciendo a lo largo de la vida del chubasco.

La simulación de estos chubascos, requiere, además de los cálculos matemáticos, de almacenar y relacionar toda la información de cada partícula del proceso para dar seguimiento a millones y millones de partículas.  Posteriormente estos resultados pueden ser analizados por expertos, permitiéndoles mejorar los modelos y refinar las teorías científicas, e inclusive proponer nuevas teorías.

Pero hasta ahora hemos hablado de un fotón, es decir una partícula, que inicia un chubasco atmosférico. El realizar una sola simulación resulta ser insuficiente para que de ella se puedan obtener resultados estadísticamente significativos y tener la certidumbre sobre afirmaciones que de ellos resulten; simular 2 eventos de esta naturaleza tampoco es suficiente, 10 tampoco, ni 100, ¡ni siquiera 1000!

Normalmente se requieren millones de simulaciones, decenas de miles de millones en algunos casos, para un tipo específico de fenómeno, para que los resultados obtenidos sean estadísticamente significativos, es decir, que sean lo suficientemente confiables para poder decir algo científicamente confiable a partir de ellos.

Lo antes mencionado requiere una capacidad de cómputo muy grande, la cantidad de operaciones que deben de realizarse excede por mucho la que una computadora de escritorio moderna, además se debe de tomar en cuenta que los resultados deben de almacenarse y analizarse, esto requiere de dispositivos de almacenamiento especiales de gran capacidad.

En el Laboratorio Nacional de Supercómputo del Sureste de México (LNS), ubicado en Ciudad Universitaria de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP), se realizan simulaciones de decenas de millones de chubascos inducidos por fotones de alta energía, así como con otros tipos de partículas (protones, núcleos de hierro, helio, silicio, entre otras más), con diversas características, estos trabajos son realizadas mediante la distribución del total de simulaciones en secciones más pequeñas que son asignadas a diferentes nodos de supercómputo; con esto se agiliza enormemente el procesamiento.

Las simulaciones realizadas en el LNS son utilizadas en la búsqueda de GRBs por experimentos como HAWC (High-Altitude Water Cherenkov) y LAGO (Large Aperture Gamma Ray Observatory, LAGO), estos experimentos las procesan con sus herramientas computacionales con lo que realizan análisis de datos pertinentes que ayudan a los científicos a estudiar y desvelar secretos de los confines de nuestro Universo.

 

Los Observatorio HAWC y LAGO

El Observatorio HAWC (High-Altitude Water Cherenkov) se ubica en una de las laderas del volcán Sierra Negra, en el estado de Puebla en México, a 4100 m. de altura sobre el nivel del mar y actualmente es sensible a la detección de cascadas individuales originadas por rayos gamma de energías entre 100 GeV (gigaelectronvoltios) y 100 TeV (teraelectronvoltios).

HAWC usa detectores de agua Cherenkov (o simplemente tanques) para observar a las partículas de cascadas atmosféricas. El observatorio consiste de 300 tanques en total, cada uno con tres PMTs (tubos fotomultiplicadores) periféricos y uno central. Por tanto el observatorio tiene 1200 PMTs en total. El aislamiento óptico de los PMTs entre los tanques permite reducir el ruido en el detector. Esto es un factor importante a gran altitud, donde el flujo de rayos cósmicos de baja energía es bastante grande. (Colaboración HAWC 2016)

Por su parte el Observatorio de Rayos Gamma de Gran Apertura, LAGO, consiste de múltiples sitios y se ha diseñada para observar la componente de alta energía de los GRBs. Esta colaboración internacional, formada por aproximadamente 75 personas de 25 institutos científicos representando a 12 países, ha construido, iniciando en 2006, una red de detectores de agua Cherenkov en tierra (WCDs). El sitio de México está ubicado en la Sierra Negra a una altura de 4550  metros sobre el nivel del mar. El objetivo de LAGO es lograr detectar y estudiar GRBs de alta energía. LAGO ha estado tomando datos desde 2007. (Villaseñor, L Forum on International Physics, 2012)

Una ventaja de detectar GRBs con experimentos en el suelo, con respecto a detectarlos en satélites, es que se pueden detectar GRBs de energías mayores y con flujos de rayos gamma primarios menores que un instrumento en un satélite no podría detectar.

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Referencias

 

Mészáros, P. (2013). “Gamma ray bursts”, Astroparticle Physics, 43, pp 134-141.

 

Rees, M. (2000).  “A review of gamma ray bursts”, Nuclear Physics A, 663–664, pp 42c-55c,

 

HAWC Collaboration. (2016, noviembre). Disponible en http://www.hawc-observatory.org/

 

Villaseñor, L. Forum on International Physics, Disponible en: https://www.aps.org/units/fip/newsletters/201202/lago.cfm [2012]

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