A un año de entrar en operaciones, el observatorio HAWC presenta el primer mapa que se ha hecho del cielo en rayos gamma de muy altas energías

Transcripción

1 A un año de entrar en operaciones, el observatorio HAWC presenta el primer mapa que se ha hecho del cielo en rayos gamma de muy altas energías El observatorio HAWC muestra el mapa más detallado del Universo en rayos gamma de muy altas energías. En el plano de nuestra galaxia se han detectado más de 40 fuentes que están siendo estudiadas con gran detalle. El observatorio demuestra su capacidad para detectar fenómenos inusitados de muy corta duración y alta energía al observar el 6 de abril una ráfaga del blazar Markarian 501 que aumento la luminosidad de esta galaxia con núcleo activo un factor de cinco por varias horas. Un proyecto de extensión de HAWC se está llevando a cabo lo que le va a permitir cuadruplicar su capacidad para detectar rayos gamma de las más altas energías A un año de operaciones, los científicos que operan el observatorio HAWC (High Altitude Water Cherenkov) revelaron esta semana un mapa del Universo nunca antes visto, a partir de rayos gamma de la más alta energía. Para el ojo humano - sensible a la luz visible - el cielo está dominado por estrellas. Pero a muy altas energías, otros objetos dominan el cielo. Para observar astros que brillan en luz de alta energía (como en luz ultravioleta, rayos X y rayos gamma) se requieren instrumentos muy sofisticados, como HAWC. A diferencia de los telescopios convencionales, HAWC puede monitorear todo el cielo durante el día y la noche. Al observar todo el cielo las 24 horas día y noche, y no una pequeña fracción de éste como otros instrumentos de rayos gama, HAWC ha demostrado funcionar como un detector de frontera muy poderoso que observa la luz más energética del Universo, dijo Andrés Sandoval, líder científico del proyecto en México. El instrumento puede ver una gran variedad de objetos y eventos de muy alta energía en el universo, desde los rayos gamma emitidos por los remanentes de las explosiones de supernovas, el brillo de nubes iluminadas por electrones acelerados por pulsares, estrellas de neutrones rotando muy rápidamente, hasta blazares, que son hoyos negros supermasivos en otras galaxias que están devorando enormes cantidades de materia y lanzando chorros inmensos de partículas de alta energía en direcciones opuestas. Con HAWC y con otros observatorios se están estudiando estas regiones del Universo donde existen condiciones extremas a fin de probar las leyes de la física, en particular la gravitación, en condiciones que no son alcanzables en la Tierra. El observatorio, que es producto de una colaboración binacional entre México y Estados Unidos, consiste en una red compacta de 300 detectores de luz Cherenkov. Cada detector está formado por tanques de agua de gran tamaño, en cada uno de los cuales se almacenan 200 mil litros de agua ultra pura para detectar las partículas que se producen cuando un rayo gamma de muy alta energía choca en lo alto de la atmósfera. Las partículas que atraviesan el agua de los tanques producen una tenue luz azul, llamada luz Cherenkov, que es capturada por los sensores internos (fotomultiplicadores) de los tanques de HAWC. El observatorio está ubicado en Puebla a 4,100 m de altitud en el volcán Sierra Negra junto al Pico de Orizaba, y opera continuamente día y noche barriendo 2/3 partes de la bóveda celeste. La mayor sensibilidad del detector se obtiene para rayos gamma a energías de 5-10 teraelectronvolts (TeVs), energías equivalentes a la de los protones acelerados por el Gran Colisionador de Hadrones del Laboratorio del CERN en Ginebra, Suiza, Los fotones más energéticos que se han detectado con HAWC llegan a energías de 60 TeVs, mucho más allá de lo alcanzable en nuestros aceleradores de partículas.

2 Las observaciones de HAWC muestran que hay cerca de 40 fuentes de rayos gamma en el plano de nuestra galaxia entre remanentes de supernovas, nebulosas iluminadas por pulsares y sistemas binarios de estrellas con hoyos negros. Estas van a ser estudiadas en detalle para obtener sus espectros y determinar si son fuentes puntuales o extendidas. También van a ser monitoreadas continuamente durante varios años para determinar su comportamiento temporal y ver si tienen variaciones que indiquen nuevos fenómenos. Un cuarto de las fuentes observadas no se conocían anteriormente, así, por ejemplo, en la región del Cisne se sabía que existía una fuente de rayos gamma, pero la mayor sensibilidad del observatorio HAWC ha permitido detectar tres posibles fuentes en esa región. Hasta el día de hoy las únicas fuentes extensas (el pulsar Geminga y la nebulosa del Cangrejo) fueron las reportadas por el antecesor de HAWC, el observatorio Milagro, comenta Magdalena Gonzáles, investigadora del Instituto de Astronomía de la UNAM y encargada del proyecto del Laboratorio Nacional HAWC, pero los nuevos resultados muestran que hay varias mas. Esto podría indicar la existencia de nueva una clase de fuentes extensas con características específicas que no habían sido observadas con anterioridad. La observación continua del cielo en rayos gamma hace de HAWC un instrumento ideal para detectar fenómenos temporales, como las ráfagas de los blazares, lo que permite enviar alertas a la comunidad de observatorios que pueden estudiar estos fenómenos para hacer observaciones conjuntas. HAWC ha estado monitoreando dos blazares Markarian 421 y Markarian 501 durante el primer año de operaciones observando variaciones continuas en el flujo emitido en rayos gamma. El 6 de abril se detectó una ráfaga de Markarian 501 que aumentó su brillo un factor de 5 durante varias horas. Los 1200 fotomultiplicadores de HAWC almacenan 25 mil eventos por segundo y a un año de operaciones ya se tienen cerca de 800 mil millones de eventos, mismos que han sido estudiados. El volumen de estos datos en disco es cercano a 1 petabyte. Para tener una idea de este volumen de datos, una canción en formato MP3 que se guarda en un dispositivo móvil, como un celular, tiene un tamaño de unos cuantos megabytes, digamos 4 megas. En un petabyte, cabrían cerca de 250 millones de canciones, y si cada canción durará cuatro minutos, tardaríamos en escucharlas casi dos mil años Para analizar los datos se ha construido en la UNAM el centro de cómputo y análisis de datos científicos más grande de México, con 2.5 petabytes de capacidad de almacenamiento en disco y una granja de computadoras con mas de mil núcleos de procesamiento. Asimismo se a logrado obtener un enlace de fibra óptica de 1 gigabit por segundo a la Universidad de Maryland donde se tiene un segundo centro de cómputo de igual magnitud. Por otra prte, los investigadores del observatorio HAWC también revelaron que el próximo año el instrumento cuadruplicará su poder de visión con la instalación de más de 300 nuevos detectores, lo que permitirá tener una mayor definición en sus observaciones y dar respuesta a viejas y nuevas incógnitas. El observatorio HAWC, que ha consolidado en México un instrumento de frontera único en el mundo por sus características de observar la luz más energética del Universo con grandes contenedores de agua, ha sido financiado en su construcción y operación por el CONACYT con fondos concurrentes de la UNAM y el INAOE, por la National Science Foundation y por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. HAWC es una colaboración internacional que consiste de 120 científicos de 25 laboratorios nacionales y universidades, entre ellas la Universidad Michoacana. El observatorio HAWC se construyó con el apoyo de la National Science Fundation y el Departamento de Energía de los Estados Unidos, así como del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México. Para más información se puede visitar la página o nuestra página de Facebook

3 El observatorio HAWC con sus 300 detectores Cherenkov de agua. El instrumento cubre un área equivalente a cuatro campos de fútbol. En medio del arreglo se aprecia el edificio que alberga la electrónica del observatorio. Al fondo se observa el volcán Sierra Negra. Vista parcial del cielo con rayos gamma de muy alta energía observados por HAWC durante 340 días entre noviembre de 2014 y noviembre de Se aprecian muchas fuentes de alta energía en la Vía Láctea, así como dos objetos extragalácticos: los blazares Markarian 421 y 501. Algunas constelaciones se muestran como referencia.

4 Un acercamiento del plano galáctico en el mapa obtenido por HAWC muestra varias fuentes de rayos gamma con energías de TeV. Ampliación de una región de la Vía Láctea. El círculo negro marca la posición de una nebulosa de viento de púlsar. Este objeto había sido reportado previamente por otros observatorios. Con los nuevos datos de HAWC se puede apreciar que esta región de la Vía Láctea es bastante compleja. Para darnos una idea del tamaño que ocupa esta región en el cielo, esta se compara a la misma escala con el tamaño aparente de la Luna (círculo blanco).

5 INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA Monitoreo de fenómenos transitorios De especial interés para la colaboración HAWC es el detectar fenómenos relacionados con galaxias cuyo centro alberga agujeros negros gigantes que muestran gran actividad al capturar material de sus alrededores lanzando chorros inmensos de partículas y radiación, los llamados blazares. El 6 de agosto HAWC detectó un evento en la galaxia llamada Markarian 501 que súbitamente aumentó su intensidad cinco veces por unas cuantas horas lo que llevó a que HAWC lanzara una alerta en el sistema de Astronomical Telegrams. Markarian 501 es una galaxia activa que se encuentra a 456 millones de años luz en la constelación de Hércules y que contiene un agujero negro súper masivo en su centro de unos mil millones de masas solares. Por años se ha estudiado la actividad en rayos gamma de los blazares para entender qué tipo de procesos los originan. HAWC nos da la oportunidad de estudiar los blazares sin sesgo en las observaciones. Los centros activos de galaxias han sido postulados como los aceleradores de rayos cósmicos de ultra alta energía. La colaboración de HAWC con otros observatorios y satélites HAWC tiene convenios con otros observatorios para hacer observaciones conjuntas. Por ejemplo, el observatorio LIGO, que acaba de detectar ondas gravitacionales producidas por la colisión de dos agujeros negros, informó a HAWC de forma confidencial del evento del 16 de septiembre del 2015 indicando las posibles regiones donde pudo haber sucedido. Desafortunadamente ninguna de estas regiones estaba en el campo de visión de HAWC en el momento de la detección de las ondas gravitacionales. Sin embargo, cuando LIGO vuelva a entrar en operación se continuarán estas investigaciones para ver si hay destellos de rayos gamma coincidentes con la emisión de ondas gravitacionales. En otra colaboración el detector de neutrinos en la Antártida, IceCube, ha proporcionado las direcciones de donde provienen los neutrinos más energéticos que han sido detectados, muy probablemente de origen extragaláctico, para ver si HAWC detecta fuentes de rayos gamma en esas direcciones. Uno de los centros de cómputo científico más grandes de México La atmósfera terrestre no permite que los rayos gamma y rayos cósmicos penetren gran distancia, éstos interaccionan a gran altitud ( km) y crean cascadas de partículas que se propagan por la atmósfera en la dirección del rayo inicial a casi la velocidad de la luz. HAWC detecta los rayos cósmicos y rayos gamma midiendo las partículas de las cascadas atmosféricas cuando éstas llegan al arreglo de 300 detectores de Cherenkov. Cada detector de Cherenkov consiste en un tanque de agua de 7.3 m de diámetro y 4.5 m de altura instrumentado con 4 detectores de luz que registran los destellos de luz Cherenkov que emiten las partículas al entrar al agua a velocidades relativistas. Al seleccionar aquellos eventos que producen señal en al menos 25 de los 1200 fotomultiplicadores de HAWC, se almacenan 25 mil eventos por segundo. En un año de operaciones se han almacenado y estudiado casi 800 mil millones de eventos que ocupan un volumen de datos en disco cercano a 1 Petabyte.

6 Para poder analizar esta enorme cantidad de información, la colaboración HAWC ha instalado dos centros de almacenamiento de datos y análisis, uno en México en el Instituto de Ciencias Nucleares (ICN) y otro en los Estados Unidos en la Universidad de Maryland. Con dos Petabytes de capacidad de almacenamiento en disco y una granja de computadoras con más de mil núcleos de procesamiento, el centro de cómputo científico en el ICN es uno de los más grandes del país. Colaboración Internacional La colaboración internacional del observatorio de rayos gamma HAWC está conformada por un equipo binacional. En México participan los institutos de Astronomía, Ciencias Nucleares, Física y Geofísica, todos de la UNAM, así como el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), el Centro de Investigación en Computación (CIC), la Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas (UPIITA), el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV), la Universidad Autónoma de Chiapas, la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, la Universidad Politécnica de Pachuca, la Universidad de Guadalajara, la FCFM Benemérita Universidad Autónoma de Puebla y la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. En estados Unidos participan: Los Alamos National Laboratory, University of Maryland, University of Wisconsin, University of Utah, University of California, Irvine, Michigan State University, George Mason University, Colorado State University, University of New Hampshire, Pennsylvania State University, University of Alabama, University of New Mexico, Michigan Technical University, NASA/ Goddard Space Flight Center y Georgia Institute of Technology. Convenios La colaboración HAWC tiene convenios con varios observatorios a fin de poder estudiar simultáneamente las fuentes de rayos gamma más energéticos a otras frecuencias o con otras partículas. Observatorios de luz Cherenkov atmosférica VERITAS: observatorio con 4 telescopios de rayos gamma de luz Cherenkov atmosférica situado en Arizona, para hacer observaciones más detalladas de fuentes variables que sean observadas por HAWC. MAGIC: observatorio de 2 telescopios de rayos gamma de luz Cherenkov atmosférica situado en las Islas Canarias a fin de estudiar conjuntamente destellos inusitados de galaxias con núcleos activos detectado por alguno de los dos observatorios FACT: observatorio de un telescopio de rayos gamma situado en las Islas Canarias, a fin de monitoreas diariamente la nebulosa del Cangrejo y los AGN Markarian 421 y Markarian 501. H.E.S.S. observatorio de rayos gamma en el hemisferio Sur en Namibia a fin de que H.E.S.S. haga observaciones complementarias de fuentes variables y fuentes con brillo constante que sean especialmente interesantes a partir de observaciones hechas por HAWC. Observatorios satelitales SWIFT, observatorio satelital que detecta rayos X y luz visible a fin de estudiar en esas frecuencias fuentes variables que tengan grandes ráfagas de rayos gamma determinadas por el observatorio HAWC. Fermi, observatorio satelital que observa rayos gamma de baja energía a fin de hacer mediciones simultáneas en rayos gamma de baja y de alta energía.

7 Detectores de partículas y ondas gravitacionales LIGO/VIRGO observatorios de ondas gravitacionales, uno en los Estados Unidos y otro en Italia a fin de buscar si las fuentes de ondas gravitacionales detectadas por LIGO emiten rayos gamma. IceCube para rayos cósmicos observatorio situado en la Antártida a fin de estudiar conjuntamente la anisotropía en la dirección de llegada de los rayos cósmicos. IceCube para neutrinos ultra energéticos, observatorio situado en la Antártida a fin de buscar con HAWC fuentes de rayos gamma en las direcciones de donde nos llegan los neutrinos ultra energéticos