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Astronomía de alta energía con la Matriz de Telescopios Cherenkov

Título del artículo original: Multi-messenger and transient astrophysics with the Cherenkov Telescope Array.
Autores: Colaboración de CTA.
Institución del primer autor: Múltiples instituciones.
Estado de la publicación: Enviado a ASTRONET, acceso abierto en arXiv.org.

En el mundo antiguo, habían fronteras inexploradas, lugares del mundo aún desconocidos. Los marineros no sabían qué había más allá del océano, ni los astrónomos más allá de Saturno. La ciencia hoy en día también tiene fronteras, y los científicos son los exploradores que dedican su vida a investigar lo desconocido, más allá del horizonte. En la astronomía, hay varias fronteras, y en éste artículo nos vamos a enfocar en dos de ellas, y en cómo un futuro observatorio va a explorar ambas.

Figura 1: Radiación de Cherenkov proveniente del Reactor de Pruebas Avanzado, en Idaho, Estados Unidos.

La Matriz de Telescopios Cherenkov (CTA por sus siglas en inglés), es un futuro par de observatorios, a ser construidos en el desierto de Atacama, en el norte de Chile, y en La Palma, Islas Canarias, España. El CTA observará un tipo de luz muy importante llamada Radiación de Cherenkov, la cual es producida cuando una partícula cargada (como un electrón por ejemplo) se mueve más rápido que la luz en un medio. La luz viaja más lentamente en el aire que en el vacío, así que un electrón puede moverse más rápido que la luz en el aire, pero más lento que la luz en el vacío. ¡Esto no viola ninguna ley física!

Las partículas más rápidas que la luz (en el aire) que CTA va a detectar provienen de la interacción entre la atmósfera terrestre y rayos gamma originarios de varios objetos astrofísicos de gran importancia, como supernovas, púlsares y la fusión de agujeros negros, entre otros.  La importancia de CTA radica en el tipo de radiación que planea observar. Hay diversos tipos de luz: entre ellos, la luz visible al ojo humano, los rayos X (los mismos que usan los médicos), la luz infrarroja (como la visión del Depredador en la famosa película), las ondas de radio (la radio de telecomunicaciones), entre otras. CTA detectará la radiación más energética de todas, los rayos gamma que recién mencionamos. Las energías que planean alcanzar serán las más altas del mundo, y el observatorio tendrá 10 veces más sensitividad que telescopios actuales. Con estas características, CTA será un importante explorador de las fronteras de la astronomía que mencionamos antes, y describimos en detalle ahora.

Figura 2: Concepto artístico de la Matriz de Telescopios Cherenkov. Crédito: Gabriel Pérez Diaz (IAC), Marc-André Besel (CTAO), N. Risinger (ESO) (Portada del artículo original)

Astronomía con múltiples mensajeros

La primera de las fronteras que mencionabamos antes es la astronomía con múltiples mensajeros. Decíamos antes que hay distintos tipos de luz, como los rayos X, el infrarrojo, etcétera. Todos esos tipos de luz, son luz al fin y al cabo, aunque no sean visibles al ojo humano. La frontera está en la observación de un objeto celestial usando luz y otros métodos, o mensajeros. Dos de ellos son las ondas gravitacionales y los neutrinos.

Las ondas gravitacionales son perturbaciones del espacio-tiempo, producidas por la aceleración de cuerpos masivos. Fueron predichas por Albert Einstein en 1916 y finalmente detectadas por primera vez en 2015 por el experimento LIGO, en un evento de fusión de dos agujeros negros.

Los neutrinos son partículas elementales casi sin masa, a menudo producidos en copiosas cantidades en eventos transientes. Son muy difíciles de detectar, pues pasan por la Tierra casi sin interactuar. Actualmente hay varios detectores de neutrinos como IceCube.

A diferencia de la luz, los neutrinos y las ondas gravitacionales pueden pasar fácilmente a través de plasma y gases calientes. Estas señales transportan información crucial acerca de los interiores de estrellas al momento de su colapso, de la distribución de masa de pleriones, y de las masas de agujeros negros. Lo que podemos aprender de estos mensajeros es aún desconocido, y totalmente complementario con la información que porta la luz.

CTA cumplirá un rol muy importante, ampliando la cobertura del espectro de luz en las energías más altas aún no observadas. CTA también tendrá mucha sinergía con detectores de neutrinos y de ondas gravitacionales, con el fin de observar los mismos eventos usando distintos mensajeros.

Eventos transientes

Figura 3: Erupción de Cygnus X-1 en 2006, detectada por el telescopio MAGIC. Crédito: Colaboración MAGIC, J. Albert et al. (2007)

La segunda de las fronteras que mencionamos es la de eventos transientes, o de corta duración. Estos fenómenos pueden durar horas, minutos, segundos o incluso milisegundos. Los hay de diversos tipos: supernovas, fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones, pleriones, microcuasáres, y otros.
CTA, con su alta sensitividad y prontitud, será capaz de detectar estos eventos transientes más rápido que cualquier otro telescopio de alta energía del mundo, y mandará alertas a la comunidad astronómica tan sólo 30 segundos después de que los datos sean detectados. Esta veloz respuesta ayudará a otros telescopios de distintos tipos a observar el mismo evento en diversas frequencias de luz.

Los autores simularon la detección de un evento en particular. En 2006, el agujero negro binario Cygnus X-1, en la constelación del Cisne, tuvo una erupción de rayos gamma que duró unos meses. En la figura 3, podemos ver la erupción como fue detectada por el telescopio MAGIC. En la figura 4, tenemos una simulación de la precisión con que CTA será capaz de detectar la misma erupción. En tan sólo 30 minutos, CTA lograría detectar la erupción con la misma o mejor precisión que 40 horas de observaciones con MAGIC.

Figura 4: Detección simulada de la erupción de Cygnus X-1 en 2006. En el eje X está la energía de la radiación, y en el eje Y tenemos el flujo en esa energía. Los datos de MAGIC están en magenta, y los datos simulados de CTA en negro. Las barras de error de CTA serán mucho menores en el eje Y, con meros 30 minutos de observación. CTA sería capaz de lograr en media hora lo que le tomó 40 horas a MAGIC. (Figura 4.1a en el artículo)

CTA explorará las fronteras de la astronomía y producirá un inmenso legado científico en las décadas por venir. Dada la ubicación geográfica de los observatorios, los astrónomos hispanohablantes tendrán un rol crucial en esta investigación de punta.

Acerca de Felipe Maldonado

Astrofísico graduado de Florida State University, Estados Unidos. Soy Chileno. Estoy interesado en la cosmología y difusión astronómica. Escribo para Astrobitos por que quiero desmitificar la astronomía y las ciencias exactas en general. Mi hobbies incluyen el cine, anime y Gunpla.

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