Telescopios de Cherenkov: tras la energía de los rayos gamma
16 mayo, 2022
Por: Dexter Enrique Gómez Ek*
La visión es un sentido de gran importancia para el ser humano y muchos otros seres vivos, ya que, gracias a él, podemos interactuar fácilmente con nuestro entorno, pues nos brinda valiosa información de lo que hay en este. El ojo humano, a pesar de ser muy complejo, está limitado a recibir información solo de cierta parte de lo que el mundo es en realidad. Los médicos usan dispositivos de rayos X para examinar los huesos de un paciente, los cuales los ayudan a ver de una manera distinta para obtener información que sus ojos no pueden. Entonces, ¿qué es diferente en lo que ve el ojo humano y lo que capta un dispositivo de rayos X? La respuesta está en el espectro electromagnético.
La energía electromagnética se esparce a través de ondas que pueden tener diferentes características. Al hablar de espectro, se hace referencia a la longitud de onda que tiene esta energía electromagnética; comúnmente se le conoce como espectro electromagnético. La ciencia lo clasifica a través de las distintas longitudes de onda que tiene, donde los rayos gamma son los de menor longitud, y las ondas de radio, las de mayor longitud de onda. Y es así que la diferencia entre el ojo humano y un dispositivo médico de rayos X radica en la frecuencia del espectro electromagnético que utilizan para obtener información.
Diferentes observaciones con el uso de distintos espectros electromagnéticos pueden ayudarnos a conocer mejor lo que nos rodea: en un brazo, por ejemplo, el ojo humano puede ver el color de piel y distinguir sus características superficiales; con un dispositivo de visión infrarroja se podría observar su temperatura e incluso distinguir su flujo sanguíneo; por otro lado, a través de los rayos X podemos observar los huesos, y es así que en un estudio, mediante distintas frecuencias electromagnéticas, se puede revelar vital información sobre el estado del brazo de un paciente.
Ahora pensemos en el cielo nocturno por un momento, a simple vista es posible observar un gran número de estrellas, en una buena noche, incluso varios miles de ellas, pero ¿qué pasaría si usamos un dispositivo para observar el mismo cielo a través de visión infrarroja? Veríamos uno absolutamente diferente. Las enanas rojas son las estrellas más abundantes en el universo y solo producen luz infrarroja, por lo que, al observar el cielo usando ese espectro, veríamos estrellas que jamás hemos visto con los ojos.
Desde hace unas décadas, los astrónomos han sacado partido de este conocimiento para estudiar el universo a través de múltiples instrumentos que nos permiten mirar el cielo con distintas frecuencias del espectro electromagnético. Así hemos podido observar fenómenos que serían imposibles de estudiar con el espectro visible.
En el grupo del espectro electromagnético de onda corta se encuentran los rayos gamma, un tipo de rayos altamente energéticos que se producen en los eventos más interesantes del universo, donde grandes cantidades de materia son impulsadas a velocidades cercanas a la de la luz, que son enormes explosiones. Los rayos gamma, al ser altamente energéticos, tienen una longitud de onda extremadamente corta, por lo que atraviesan la materia sin problemas de una manera semejante a la de los rayos X.
Los rayos gamma y los rayos X tienen muchas características en común: son de alta energía, de longitud de onda muy corta y se producen en eventos violentos del universo. Pese a que los segundos tienen una longitud de onda más larga que la de los primeros, se distinguen entre ellos por la parte del átomo que los emite: los rayos gamma son emitidos por el interior del núcleo de este, mientras que los rayos X, por el exterior del núcleo.
Como mencionamos, los rayos gamma se producen en eventos violentos del cosmos, ¿a qué nos referimos con esto? Estos eventos son las grandes explosiones producidas por supernovas (explosiones de estrellas masivas moribundas), púlsares (estrellas de neutrones que emiten radiación de forma periódica) o incluso eventos más exóticos, como agujeros negros; en todos estos se aceleran y producen interacciones de partículas de muy alta energía, generando así rayos gamma.
Al saber entonces de dónde provienen los rayos gamma, es fácil comprender el interés de la comunidad científica en su estudio, por lo cual fue necesario idear métodos efectivos para detectarlos. Cabe señalar que, debido a la longitud de onda tan pequeña de los rayos gamma, estos atraviesan casi cualquier material sin problemas, por lo que se requieren otros métodos poco tradicionales para poder observarlos.En 2008, la NASA puso en órbita el primer telescopio espacial Fermi, dedicado al estudio de las fuentes de rayos gamma. El principal instrumento de Fermi es el telescopio de Gran Área -Large Area Telescope-, que detecta rayos gamma a través del efecto electrón-positrón que se produce cuando un rayo gamma atraviesa las grandes placas de silicio que posee el instrumento.
Este método es efectivo pero conlleva un gran inconveniente: debido al peso del instrumento principal del telescopio, la NASA se vio obligada reducir drásticamente su tamaño y, en consecuencia, el ángulo de visión no es muy grande, por lo que obtener una imagen completa del cielo requiere tiempo.
Comprendiendo la radiación
Aquí en la Tierra se utiliza otro método para la detección de rayos gamma, considerablemente más económico que un telescopio espacial, el cual ofrece resultados bastante precisos, que en algunos casos son mejores que los del telescopio espacial Fermi. El proyecto se llama Cherenkov Telescope Array (CTA o Matriz de Telescopios de Cherenkov, en español) y utiliza la radiación de Cherenkov producida por los rayos gamma al penetrar la atmósfera.
Para entrar en detalle acerca del funcionamiento de estos telescopios, primero hay que tener claro el significado de la radiación de Cherenkov. La velocidad de la luz es de 299 792 458 m/s en el vacío del espacio y, según el medio que la luz atraviese, esta velocidad puede ser menor; en este caso, en la atmósfera de la Tierra, que contiene partículas que afectan el paso de la luz, la radiación de Cherenkov se produce si una partícula cargada eléctricamente supera la velocidad de la luz de un medio como la atmósfera, generando destellos de luz visibles o fotones ultravioletas (UV).
Los rayos gamma no son partículas cargadas eléctricamente, por lo que no producen radiación de Cherenkov, pero, al penetrar la atmósfera terrestre, se descomponen en una cascada atmosférica extensa (proceso cuántico que ocurre cuando un rayo cósmico penetra la atmósfera) y producen partículas cargadas eléctricamente a grandes velocidades que generan la radiación de Cherenkov que tanto nos interesa.
Los telescopios de Cherenkov utilizan la atmósfera como medio principal para la detección de rayos gamma y emplean lentes que buscan los destellos y fotones que genera la radiación de Cherenkov. El CTA consiste en varios conjuntos de telescopios de Cherenkov para monitorear gran parte del cielo al mismo tiempo.
Al igual que el telescopio espacial Fermi, los telescopios de Cherenkov no son perfectos: al estar sujetos a la Tierra, se requiere posicionar varios de ellos en distintos puntos geográficos para cubrir en su totalidad el cielo y, además, el efecto de cascada atmosférica extensa que aprovechan los telescopios puede producir radiación de Cherenkov a partir de rayos cósmicos que no son rayos gamma, y que suelen ser principalmente cascadas de hadrones. Para resolver el problema de distinguir los rayos gamma de las cascadas de hadrones, se emplean avanzados algoritmos de clasificación que han sido mejorados lo suficiente para tener una alta tasa de precisión.
El CTA actualmente está conformado por el telescopio MAGIC (Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov Telescope), en la isla La Palma (España); el telescopio HESS (High Energy Stereoscopic System), ubicado en la República de Namibia, y el telescopio VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System), en Arizona.
Estos telescopios terrestres, en conjunto con el telescopio espacial Fermi, son nuestros ojos para poder observar el universo de una manera totalmente distinta. Aunque no pertenece al CTA, en México el observatorio HAWC (High-Altitude Water Cherenkov) de rayos gamma consiste en un arreglo de 300 grandes detectores de Cherenkov cubriendo un área de 20 mil metros cuadrados en las faldas del Volcán Sierra Negra, a cuatro mil 100 metros de altitud, junto al Pico de Orizaba en Puebla. Gracias a las observaciones del HAWK, en 2020, dieron a conocer nueve regiones de nuestro Universo que emiten rayos gamma de altísima energía, lo que las hace unas de las fuentes más energéticas que han sido observadas en nuestra galaxia.
Las imágenes generadas por las observaciones de rayos gamma nos dan una idea de dónde están ocurriendo acontecimientos violentos en el universo; como es de esperarse, hacia nuestro centro galáctico se aprecia un impresionante aumento en el número de eventos, como las supernovas. La importancia del estudio del cielo a través de rayos gamma nos permite acercarnos más al entendimiento del cosmos.
Fuentes consultadas
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Olguín, M. (2018). Rayos gamma nacen de objetos que se acercan a los agujeros negros. UNAM Global. Recuperado de https://unamglobal.unam.mx/rayos-gamma-nacen-de-objetos-que-se-acercan-a-los-agujeros-negros/#:~:text=De%20acuerdo%20con%20Fierro%20Gossman,y%20los%20c%C3%BAmulos%20de%20galaxias
*Alumno de Ingeniería en datos de la Universidad Politécnica de Yucatán.
