El observatorio HAWC: Resultados de colaboración científica internacional

Escrito por Dr. Juan Carlos Arteaga Velázquez

Estudios recientes realizados con el observatorio HAWC (de las siglas en inglés, “HighAltitude Water Cherenkov Detector”) han mostrado que el misterioso exceso de partículas de antimateria (positrones) que llega a la Tierra detectado previamente por satélites espaciales, no puede tener su origen en los pulsares cercanos a nuestro planeta Geminga y Monogem como se pensaba. Los análisis con HAWC muestran que el flujo de positrones emitido por estos pulsares no ha tenido tiempo aún de llegar a nuestro planeta y que el origen del exceso podría ser otro. La colaboración HAWC está formada por científicos de E.U.A., México y Europa, y de instituciones como el Laboratorio Nacional de Los Álamos en Estados Unidos, el Instituto Max Planck en Heidelberg, Alemania, y algunas instituciones mexicanas como la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.

El misterioso exceso de positrones cósmicos

En el 2008, el satélite espacial PAMELA detectó un exceso de radiación cósmica en torno a la Tierra en forma de positrones, que son partículas de antimateria de características opuestas al electrón. Lo extraño no fue observar positrones, ya que estos se producen de manera natural en el espacio cuando los rayos cósmicos, en forma de núcleos atómicos de alta energía, chocan con el gas que se encuentra entre las estrellas mientras viajan por nuestra galaxia. Lo que llamó la atención fue el hecho de que el flujo de positrones recibido fuera mayor al predicho por la teoría y que la diferencia aumentara rápidamente con la energía de las antipartículas. Las observaciones de PAMELA fueron confirmadas posteriormente por los detectores espaciales AMS y FERMI-LAT y se han tratado de explicar mediante diferentes hipótesis.  Actualmente, las que tienen mayor peso señalan que el flujo extra de positrones cósmicos es producido por fuentes extraterrestres muy cercanas a nuestro sistema solar. La naturaleza de las fuentes es tema de fuertes debates entre la comunidad científica, pero existe cierto acuerdo en que deben tener un carácter violento y muy energético.  Los candidatos se agrupan en dos categorías: Están los de tipo astrofísico, que requieren la aceleración de partículas hasta muy altas energías a través de campos magnéticos, y, por otra parte, los de tipo exótico, que involucran la aniquilación de materia oscura, que es materia de una nueva clase, cuya presencia es aún hipotética, pero que podría explicar la existencia de varias anomalías gravitacionales que han sido observadas en el cosmos.  

Nebulosas de viento de pulsar como posibles responsables del flujo extra de positrones cósmicos

En los últimos años, entre las fuentes astrofísicas que cobraron interés entre la comunidad científica como responsables del exceso de positrones se encuentran las nebulosas de viento de pulsar, que son burbujas magnetizadas gigantescas formadas por vientos energéticos de electrones y positrones procedentes de una estrella central llamada pulsar. Un pulsar es una estrella muy compacta (posee casi la masa del Sol concentrada en un radio de tan solo unas cuantas decenas de kilómetros) que gira a gran velocidad (de cientos de veces por segundo) y que está acompañada por intensos campos magnéticos.  Dichos campos, al rotar con la estrella, aceleran partículas cargadas, como electrones y positrones, a muy altas energías produciendo el denominado viento de pulsar. De esta forma, la idea es que parte de este flujo está escapando de las nebulosas de viento de pulsar cercanas y que está abriéndose paso a través del medio interestelar hasta llegar a la Tierra produciendo el exceso de positrones observado. 

Geminga y Monogem como posibles culpables del exceso

Ubicadas en el hemisferio norte, a los pies de la constelación de Géminis, se encuentran dos nebulosas de viento de pulsar muy próximos a la Tierra: Geminga y Monogem, las cuales se encuentran entre los candidatos que podrían explicar el exceso de positrones. Estos objetos se hayan a una distancia entre 800 y 900 años luz de nuestro planeta y tienen una edad entre 300 mil y 100 mil años.  Recientemente, las mediciones del observatorio HAWC (ver fig. 1), ubicado en México, permitieron demostrar que tanto Geminga como Monogem son aceleradores de partículas. Esto se demostró a través de la detección de rayos gamma en torno a dichas fuentes. Los rayos gamma son paquetes de luz de muy alta energía (miles a millones de veces más energéticos que los rayos X) producidos abundantemente en sitios del universo donde se producen, escapan o aceleran partículas muy energéticas. En el caso de Geminga y Monogem, HAWC reveló halos de rayos gamma de alta energía en torno a los pulsares de las nebulosas (ver fig. 2 y 3). El tamaño aparente de estos halos en el cielo es de varias veces el diámetro de la Luna y dada la distancia a la que se encuentran de la Tierra se estima que deben tener un radio de decenas de años luz (es decir, de millones de veces la distancia de nuestro planeta al Sol).

La presencia de halos extensos de rayos gamma en torno a pulsares era desconocida hasta hace poco, cuando el observatorio Milagro (que estuvo localizado en Estados Unidos) reportó en el 2007 la existencia de uno de ellos en torno a Geminga. Pero no fue sino hasta el 2015 que, con las observaciones de HAWC, se pudo confirmar su existencia. Casi un año después, HAWC descubrió un segundo halo, este último en torno a Monogem. Ahora se piensa que podría haber más objetos de esta clase en el cielo. Los halos pasaron desapercibidos por mucho tiempo, no porque no existieran telescopios especializados en la detección de rayos gamma, sino porque dichos instrumentos solo permitían mirar porciones muy limitadas del cielo a la vez. Con HAWC, se resolvió este problema. El observatorio fue diseñado para monitorear simultáneamente todo el cielo sobre él, tanto de día como de noche, durante los 365 días del año. Esta técnica de detección permitió la observación de los halos en HAWC y la acumulación de gran cantidad de datos para el estudio detallado de dichos objetos. Los resultados de los análisis fueron presentados por la colaboración internacional HAWC el pasado 17 de Noviembre del 2017 en la prestigiosa revista Science, número 358. 

Geminga y Monogem descartadas por HAWC como fuentes del enigmático exceso

Lo interesante de los estudios de HAWC publicados en Science No. 358 es que no solamente permitieron demostrar que los pulsares en Geminga y Monogem son sitios donde se aceleran electrones y positrones a muy altas energías, sino que también permitieron comprender que los halos de rayos gamma que se generan en torno a estas fuentes se deben a los choques de estas partículas con el medio interestelar mientras se esparcen por el universo. Más aún, aprovechando la conexión entre las características del halo y el flujo de electrones y positrones, los análisis de los halos presentados por la colaboración HAWC permitieron encontrar que estas partículas se propagan a través del medio interestelar más lentamente de lo esperado, de tal forma que no han tenido tiempo aún de llegar a nuestro sistema solar. De esta manera, las observaciones de HAWC parecen descartar la posibilidad de que Geminga y Monogem sean responsables del exceso de positrones cósmicos observado en torno a la Tierra. Lo anterior parece abrirle la puerta a la posibilidad de que esta radiación tenga un origen más exótico que involucre materia oscura. Sin embargo, antes de llegar a este extremo deben realizarse más observaciones que permitan descartar otras posibles fuentes astrofísicas y/o mecanismos físicos que pudieran ser responsables del flujo extra de positrones cósmicos que observamos.  El debate sigue abierto y las observaciones con HAWC continúan. 

Sobre el observatorio HAWC

El observatorio HAWC se localiza a 4,100 metros sobre el nivel del mar en el volcán Sierra Negra en el estado de Puebla. Es un observatorio de vanguardia y único en su tipo. Está diseñado para detectar rayos gamma de altas energías procedentes del espacio exterior. El observatorio está conformado por una red de 300 tanques inmensos de agua (cada uno de 4.5 m de alto por 7.3 m de diámetro) dispuestos sobre una superficie de 22,000 m2. A su llegada a la Tierra, los rayos gamma colisionan con la atmósfera y generan un chubasco extendido de partículas secundarias, las cuales al pasar por los tanques generan una luz azul que es captada por sensores ópticos. De esta forma HAWC detecta la llegada de un rayo gamma de altas energías a nuestro planeta. La operación y explotación científica de HAWC es un esfuerzo conjunto de más tres decenas de instituciones de educación superior e investigación de E. U. A., México y Europa. Entre ellas se encuentra la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH). El grupo de HAWC dentro de la UMSNH está conformado por el Dr. Juan Carlos Arteaga Velázquez (representante institucional ante HAWC) y el Dr. Umberto Cotti, así como por los estudiantes Cederik de León Acuña, Juan de Dios Álvarez y Jorge Antonio Morales. El grupo de la UMSNH participa en varias tareas dentro de la colaboración HAWC entre las cuales se encuentran: el estudio de la calidad de los datos del experimento, la toma de datos y el monitoreo del desempeño del observatorio, el análisis y reconstrucción de los eventos, así como la investigación de la energía y la composición de los rayos cósmicos con HAWC, entre otros.

Saber más:

Abeysekara et al. (2017). HAWC Collaboration, “Extended gamma-ray sources around pulsars constrain the origin of the positron flux at Earth”, Science 358, 911-914.

Página electrónica del observatorio HAWC: https://www.hawc-observatory.org/

Drake N. (2017). Hay un exceso de partículas de antimateria en la Tierra ¿cuál es su origen?, National Geographic online, sección Espacio, viernes 17 de Noviembre del 2017.

http://www.nationalgeographic.es/espacio/2017/11/hay-un-exceso-de-particulas-de-antimateria-en-la-tierra-cual-es-su-origen

 Dr. J.C. Arteaga Velázquez

Instituto de Física y Matemáticas

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo

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