Los Magic de El Roque: el presente de la astronomía de rayos gamma desde tierra

El proyecto Magic (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov), formado por dos telescopios gemelos ubicados en El Roque de Los Muchachos, en las cumbres de Garafía, es “el presente de una joven pero fructífera rama de la ciencia: la astronomía de rayos gamma desde tierra”, según indica el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) a raíz de la publicación de una de sus colaboraciones más relevantes: captar una tormenta insólita de radiación electromagnética en un agujero negro del cosmos situado a 260 millones de años luz.

“Su exitosa presencia en el Observatorio de El Roque de los Muchachos del IAC en La Palma”, añade, se remonta a los años 80, con los telescopios Hegra. “El futuro inmediato del campo lo representa el Cherenkov Telescope Array (CTA), que estará formado por unos 100 telescopios distribuidos en dos observatorios (en los hemisferios Norte y Sur)”, subraya el IAC en un comunicado. Los grupos españoles de Magic han presentado una candidatura para construir el observatorio CTA-Norte en El Roque de los Muchachos o El Teide. “Esta posibilidad representa una de las mejores oportunidades para albergar en España una de las grandes instalaciones científicas globales que marcarán el desarrollo de la astronomía en los próximos años”.

El Magic está compuesto por dos telescopios con reflectores de 17 metros de diámetro, construidos y operados por una colaboración internacional formada por 160 científicos de España, Alemania, Italia, Polonia, Suiza, Finlandia, Bulgaria, Croacia, Japón e India. Celebra ahora su décimo cumpleaños con la publicación de su quinto trabajo científico en la revista Science. Las mayores contribuciones españolas a la construcción de Magic “han sido la cámara original de uno de los telescopios, gran parte de la electrónica y el centro de datos”. La calidad del cielo de La Palma ha contribuido decisivamente a su éxito, resalta el IAC.

Las instituciones españolas participantes son el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE, Barcelona), la Universidad Autónoma de Barcelona, la Universidad de Barcelona, el Instituto de Ciencias del Espacio (CSIC, Barcelona), el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC, La Laguna), la Universidad Complutense de Madrid y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT, Madrid).

HISTORIA

Según explica el IAC, los primeros intentos de detectar rayos gamma de muy alta energía usando matrices de detectores sensibles a las partículas de la cascada fracasaron. El éxito llegó finalmente cuando el telescopio Whipple en Arizona ensayó por primera vez la técnica de Cherenkov. En 1989 Whipple establecía que la Nebulosa del Cangrejo era una fuente intensa de rayos gamma del TeV, y a continuación detectó dos fuentes más, esta vez extragalácticas -los núcleos activos de galaxias Markarian 421 y 501-. El siguiente gran avance vino al principio de los años 90 con los telescopios de Hegra en La Palma, que por primera vez operaron varios instrumentos simultáneamente y usaron el concepto de observación estereoscópica. El éxito de ambos detectores llevó en 1996 a la idea de construir un telescopio gigante, Magic, que cubriera la ventana virgen del espectro electromagnético a la que no llegaban los detectores en satélites.

INSTRUMENTOS

Magic “no es sólo inmenso (es el telescopio con el mayor espejo del mundo). Además, es pionero en toda una serie de innovaciones técnicas que nunca se habían aplicado a telescopios Cherenkov”. El reflector “es extremadamente ligero para su tamaño, con lo que puede apuntar a cualquier parte del cielo en menos de treinta segundos. Consiste en 270 espejos individuales que pueden enfocarse por separado mediante rayos láser de referencia, usando lo que se conoce como óptica activa. La cámara, construida por completo en España, está equipada con seiscientos detectores de luz extremadamente sensibles y rápidos. Las señales que producen estos detectores se transmiten a través de fibra ópticas a la electrónica de digitalización más rápida del mundo en este tipo de detectores”.

DATOS TÉCNICOS

Los telescopios de Cherenkov “son telescopios para la detección de rayos gamma de muy alta energía. A pesar de que la atmósfera absorbe estos rayos gamma, pueden detectarse de forma indirecta, porque en el proceso de absorción generan una ‘cascada’ de partículas secundarias de alta energía. Estas partículas producen a su vez luz de Cherenkov en el ultravioleta cercano y en azul, que se pueden recoger con un telescopio. Es la técnica de detección de Cherenkov”.

RESULTADOS RELEVANTES

Magic empezó “a tomar datos en 2004, y a comienzos de 2005 ya se había estudiado el funcionamiento del telescopio usando la fuente de rayos gamma de referencia a estas energías, la nebulosa del Cangrejo”. Magic ha detectado “este objeto en la ventana inexplorada del espectro, y esta detección ayuda a comprender el mecanismo por el que se producen los rayos gamma”. La nebulosa tiene en “su centro un púlsar, esto es, una estrella muy densa que rota decenas de veces por segundo en torno a su eje, generando campos magnéticos y eléctricos muy intensos”. También ha detectado “varios núcleos activos de galaxias. Estos son agujeros negros con una masa millones de veces mayor que la de nuestro Sol que se esconden en el centro de algunas galaxias y generan chorros gigantescos de materia. En los chorros también se aceleran partículas y se producen rayos gamma”.

Tormenta de rayos gamma en el agujero negro

Los telescopios Magic, se apunta en el comunicado emitido por el IAC el pasado 6 de noviembre, “han registrado las llamaradas de rayos gamma más rápidas vistas hasta la fecha, producidas en las cercanías de un agujero negro supermasivo. Los científicos explican este fenómeno mediante un mecanismo similar al que produce los relámpagos en una tormenta. Este resultado, con una importante participación española, apareció publicado el pasado jueves, 6 de noviembre, en la revista Science.

En la noche del 12 al 13 de Noviembre de 2012 los telescopios Magic de rayos gamma, en el Observatorio del Roque de los Muchachos del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), se encontraban observando el cúmulo de galaxias de Perseo (situado a una distancia de unos 260 millones de años-luz), cuando detectaron este fenómeno insólito proveniente de una de las galaxias del cúmulo, conocida como IC310. Al igual que muchas otras galaxias, IC310 alberga en su centro un agujero negro supermasivo (varios cientos de millones de veces más pesado que el Sol) el cual, de forma esporádica, produce intensas llamaradas de rayos gamma. “Lo que sorprendió a los científicos en esta ocasión fue la extrema brevedad de dichas llamaradas, con una duración de tan solo unos pocos minutos”, indica el IAC.

“La Relatividad nos dice que ningún objeto puede emitir durante un tiempo menor al que le lleva a la luz atravesarlo. Sabemos que el agujero negro en IC310 tiene un tamaño de unos 20 minutos-luz, alrededor de tres veces la distancia entre el Sol y la Tierra. Esto quiere decir que ningún fenómeno producido por el mismo debería durar menos de 20 minutos”, cuenta Julian Sitarek, investigador Juan de la Cierva en el IFAE (Barcelona), y uno de los tres científicos que han liderado el estudio. “Sin embargo, las llamaradas que se observaron en IC310 duraban menos de 5 minutos”, añade.

Los científicos de la colaboración Magic “proponen un nuevo mecanismo, según el cual esa ‘tormenta de rayos gamma’ se produce en las regiones de vacío que se forman cerca de los polos magnéticos del agujero negro. En estas zonas vacías se crean momentáneamente campos eléctricos muy intensos, que son destruidos cuando la zona es ocupada de nuevo por partículas cargadas”. Dichas partículas “se aceleran a velocidades muy próximas a la de la luz y transforman en rayos gamma los fotones que encuentran en su camino al transferirles parte de su energía. El tiempo que tarda la luz en recorrer una de estas zonas vacías es de pocos minutos, lo que encaja con lo observado en IC310”.

“Es similar a lo que ocurre en las tormentas eléctricas”, explica Oscar Blanch, investigador Ramón y Cajal del IFAE y Co-Portavoz de la Colaboración MAGIC. “Se crea una diferencia de potencial tan fuerte que acaba por descargarse como un relámpago”. En este caso, la descarga alcanza las energías más altas observadas en la naturaleza y produce rayos gamma. El agujero negro parece estar envuelto en una tormenta de dimensiones estelares.

Hasta ahora, se pensaba que “la emisión gamma de galaxias como IC310 se generaba en los chorros de partículas que produce el agujero negro. Estos chorros se detectan en muchas galaxias y se extienden cientos de miles de años luz”. Cuando uno de los chorros apunta directamente hacia la Tierra, “se produce un efecto relativista conocido como ‘movimiento superlumínico aparente’, debido a que el emisor (las partículas del chorro) y la emisión (los rayos gamma) viajan hacia nosotros a una velocidad parecida. Como resultado, la intensidad de la emisión gamma que se mide es mayor y su variabilidad más rápida. Pero esta explicación no es válida en el caso de IC310, porque sus chorros no apuntan hacia nosotros. Seguramente los rayos gamma vienen desde mucho más abajo: prácticamente del propio agujero negro”.