Develando los misterios de las altas energías

Hasta el día de hoy, los objetos más energéticos del Universo aún siguen siendo un misterio para la humanidad. Aún hay muchas preguntas pendientes sobre los agujeros negros súper masivos, núcleos de galaxias activos, explosiones de supernovas y estrellas de neutrones, entre otros fenómenos. Sin embargo, pronto podremos ir develando estos secretos aún guardados.

Un nuevo observatorio en el norte de nuestro país, el conjunto de 99 telescopios Cherenkov Sur (Cherenkov Telescope Array – South, CTA-South), permitirá estudiar las altas energías que emiten estos objetos astronómicos. Sus instrumentos, y sobre todo sus técnicas de observación e interpretación de los datos, son muy distintas a las de los telescopios tradicionales -ópticos-, ya que detectan la radiación secundaria que se produce en nuestra atmósfera, debido a la radiación de rayos gama proveniente de los objetos mencionados anteriormente.

La información que aquí se genere podrá complementarse con la que ya está comenzando a obtener su par en el hemisferio norte, CTA-Norte, en La Palma, Islas Canarias, logrando tener una visión más completa del Universo.

“Este es un proyecto que está en la frontera entre la Astronomía y la Física. Usa la metodología de la Astronomía, porque la idea es poner telescopios mirando el cielo, pero lo que va a observar es muy distinto a lo que hace un telescopio óptico: va a permitir saber de dónde vienen los  rayos gamma, que son de muy altas energías, más energéticos que los rayos ultra violeta”, explica el decano de Física Max Bañados.

“El CTA es la culminación del estudio sistemático de las radiaciones súper energéticas que vienen del espacio, y sobre las cuales se despliega un manto de muchas preguntas sin resolver: ¿Cuáles son los procesos astrofísicos que originan las radiaciones más potentes que vienen del espacio? ¿De dónde vienen y cómo se producen los famosos rayos cósmicos, que se han detectado desde hace décadas, pero que nadie sabe a ciencia cierta cuál es su origen?”, expresa el académico y anterior director del Instituto de Astrofísica, Gaspar Galaz.

Descubrir lo invisible

Enclavado a 2.150 m, el complejo estará ubicado en un área adyacente al cerro Paranal, en pleno corazón del desierto de Atacama -en el mismo sitio donde se encuentra el VLT (Very large Telescope), uno de los observatorios de la European Southern Observatory, ESO-. Allí observará la llamada radiación Cherenkov, bautizada así en honor del físico ruso Pável Cherenkov, quien fue el primero en caracterizarla rigurosamente y explicar su producción, recibiendo el Premio Nobel de Física en 1958.

"Esta radiación se genera producto de rayos gamma que vienen del espacio y que interactúan con partículas cargadas (electrones) de nuestra atmósfera, que son acelerados a una velocidad mayor a la velocidad de la luz en la atmósfera terrestre, lo que produce la llamada radiación Cherenkov, observable en longitudes de onda visible", explica Gaspar Galaz.

En general, son los fenómenos más energéticos del universo los que emiten radiación gamma. Estos rayos gamma chocan con partículas de nuestra atmósfera, por lo que -afortunadamente- no llegan hasta la superficie de la Tierra.

El complejo, que se espera comience sus operaciones en 2025, estará equipado con tres tipos de telescopios. Habrá cuatro de gran formato, que tendrán varios espejos compuestos que totalizan un espejo de 23 m de diámetro cada uno, un peso de 100 toneladas y cubrirán el extremo interior del rango de energía. Los de tamaño medio, que serán 25, contarán con un espejo compuesto de 12 m y un peso de 82 toneladas. Y los más pequeños, con un espejo primario de 4 m y 17 toneladas, que se espera lleguen a ser hasta 70 unidades, cubrirán el extremo superior del rango energético.

“Sabemos que todo lo que ven nuestros ojos no es necesariamente todo lo que hay. Galileo fue el primero en usar un telescopio para mirar el cielo, con el que logró ver las lunas de Júpiter y otros elementos. Así de a poco hemos ido observando el Universo de distintas maneras, en otros canales o frecuencias, cada vez con mayor información. Con estos nuevos instrumentos es posible ver cosas que el ojo humano simplemente no puede ver”, explica Max Bañados. 

“Lo que hará este conjunto de telescopios es tratar de entender la física de altas energías en la frontera del universo. Va a ser capaz de detectar energías tan grandes que los aceleradores de partículas que hay en la Tierra no son capaces de alcanzar”, explica el estudiante de doctorado de Física Christian Díaz. “Desde el punto de vista de la física de partículas es una ventana gigante para poder hacer teoría. Es una búsqueda para que estas partículas nos entreguen información y que nos puedan entregar explicaciones para la física que aún se desconoce”, añade.

Una gran oportunidad para la ciencia

La Universidad Católica ha participado desde los inicios del proyecto, desde la Facultad de Física, haciendo los primeros contactos hace ya unos siete años atrás y siendo parte del consorcio de CTA, integrado por más de 200 instituciones en 31 países. “Teníamos mucho interés de que el CTA se construyera en Chile. Había otra alternativa, en África”, relata el decano de Física, Max Bañados.

La UC lidera la comunidad científica chilena de física y astronomía, de distintas universidades, que está involucrada en el proyecto: Federico Santa María, de Chile, Andrés Bello (UNAB), de Valparaíso, de Concepción y Católica del Norte. De hecho, ya existe un grupo, el “CTA Journal Club”, donde 20 a 30 investigadores se reúnen una vez a la semana a exponer temas de física y astronomía de altas energías, desde el cual pueden surgir colaboraciones a partir de los estudios que se desarrollen en el nuevo observatorio.

Esta “es una gran oportunidad para la comunidad astro-física en Chile”, afirma Gaspar Galaz, quien también ha participado desde los comienzos del proyecto. Este “es el primer telescopio de los varios instalados en Chile en los últimos 50 años, que ha despertado el interés tanto en la comunidad de astrónomos y de físicos”, agrega.

En el caso de los físicos, este observatorio es de especial interés para quienes trabajan en áreas de altas energías: física de partículas, física teórica y experimental de altas energías, teorías de gravitación y materia oscura, etc.

Mientras que para los astrónomos, interesa particularmente a quienes trabajan en procesos astrofísicos, donde se generan fenómenos que emiten partículas y rayos gamma de gran energía, como aquellos ligados a núcleos activos de galaxias, agujeros negros supermasivos (de más de 1 millón de masas solares), generación de chorros de rayos gamma producto de colisiones de objetos astrofísicos compactos como estrellas de neutrones, explosiones de supernovas, etc. En general, todos los fenómenos que producen o producirían rayos gamma, y cuya naturaleza aún no está del todo determinada.

El CTA permitirá desarrollar una nueva área de la física: “Las astro-partículas, que mezcla la física de partículas y las altas energías, con la observación, que es la ventana que nos muestra la naturaleza”, dice Christian Díaz. “Chile es por lejos el país más importante en la astronomía observacional, y se va a mezclar con la física de partículas. Va a poner a Chile en la vanguardia de la astrofísica de altas energías”, agrega.

Al igual que en los otros observatorios que se han construido en Chile, nuestros científicos contarán con el 10% del tiempo de observación. “Este es un privilegio enorme y que puede significar una gran oportunidad para impulsar tanto la física de partículas como otras áreas de esta disciplina”, afirma Max Bañados.

Y concluye: “Esta es una gran oportunidad para que la Astronomía salga de su mundo e inunde la física, con todas las posibilidades que ello implica; que podamos aprovechar este gran laboratorio natural que tenemos”.