Utilizando el observatorio de rayos gamma HAWC, un equipo internacional de científicos detectó nueve fuentes de rayos gamma de energías muy altas en la Vía Láctea. Estas fuentes son de dimensiones interestelares.

Esta investigación fue publicada hace unas semanas en el artículo “Multiple galactic sources with emission above 56 TeV detected by HAWC” en la revista Physical Review Letters. En el proyecto participan investigadores de las instituciones que conforman la colaboración internacional HAWC.

Ubicado en el Volcán Sierra Negra en el estado de Puebla a 4,100 metros sobre el nivel del mar, HAWC (High Altitude Water Cherenkov, por sus siglas en inglés) está integrado por detectores Cherenkov de agua con instrumentación de muy alta sensibilidad. El experimento monitorea las 24 horas del día los 365 días del año fuentes celestes emisoras de rayos gamma. Con HAWC se estudian los fenómenos más violentos del Universo como cuasares, supernovas, estrellas binarias y objetos compactos. Entre las fuentes de estudio de HAWC en la Vía Láctea, destacan nebulosas asociadas a pulsares muy energéticos.

En entrevista, el Dr. Alberto Carramiñana Alonso, investigador del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) y portavoz por México de la colaboración HAWC, explica que las fuentes detectadas por HAWC en nuestra galaxia emiten rayos gamma de muy alta energía, por encima de 56 teraelectronvoltios (TeV). Se trata de nueve fuentes con las emisiones de más alta energía conocidas: “Entre estas nueve hay tres que estamos viendo por encima de 100 TeV. Junto con la Nebulosa del Cangrejo, éstas son las fuentes de radiación electromagnética de más alta energía que se conocen a la fecha”.

Todos estos objetos, agrega, parecen estar asociados a pulsares con edades entre diez mil y 100 mil años: “Son nubes muy grandes que pueden llegar a medir más de 100 años luz. Dentro de todas ellas hay un pulsar que ha ido generando electrones y positrones de muy alta energía por decenas de miles de años. Estos electrones y positrones producen los rayos gamma que vemos en un halo extendido de dimensiones grandísimas. Para ponerlo en perspectiva: algunas de estas nubes miden más de 60 años luz, y la distancia de aquí a la estrella más cercana es de cuatro años luz. Tienen dimensiones interestelares”.

El Dr. Carramiñana añade que Enrico Fermi propuso en los años cincuenta que las supernovas producirían rayos cósmicos, es decir partículas de muy alta energía, los cuales a su vez producen rayos gamma de muy alta energía.

“Pero lo que no sabía Fermi, quien falleció muchos años antes del descubrimiento de los pulsares, es que las supernovas dejan estrellas de neutrones. Estas se manifiestan como pulsares, máquinas que producen y aceleran partículas de forma muy eficiente, en particular electrones y positrones”, refiere.

Un ejemplo de este tipo de objetos es la nebulosa del Cangrejo. Esta nebulosa es el resto de una supernova que estalló hace poco menos de mil años y en cuyo centro está un pulsar produciendo fuertes vientos y radiación de altísima energía.

La nebulosa que ha producido el viento del pulsar del Cangrejo, expresa el investigador, es relativamente pequeña, mide cuando mucho un año luz: “Lo que se ha descubierto a raíz de las observaciones de HAWC, es que en objetos más viejos que la nebulosa del Cangrejo toda la nube de electrones generados por el pulsar se ha ido difundiendo, llegando a tener dimensiones de varias decenas de años luz. Es un nuevo paradigma de cómo evolucionan estos objetos y un campo de investigación que se ha abierto en el último par de años". En 2017 la colaboración HAWC reportó dos objetos de este tipo en la revista Science, Geminga y Monogem, pero las fuentes reportadas ahora son más distantes y más energéticas.

El proceso para detectar y estudiar este tipo de objetos es largo. Cada día, HAWC escanea dos terceras partes del cielo, generando grandes cantidades de datos que se almacenan continuamente. Sin embargo, los rayos gamma de mayor energía, por encima de 50 TeV, llegan pausadamente. Ha sido necesario juntar tres años de datos para obtener estos resultados.

“Algo importante en HAWC es el desarrollo continuo de técnicas de análisis de datos por parte de varios colaboradores. Ahora podemos medir mejor la energía de cada rayo gamma que recibimos, y con esto estudiar mejor estos objetos”.

En particular, Kelly Malone, de Los Alamos National Laboratory y Pennsylvania State University, trabajando en colaboración con Jim Linnemann, de Michigan State University, desarrolló la técnica para medir mejor la energía de cada rayo gamma.

El Dr. Carramiñana destaca que este tipo de objetos también permiten poner a prueba leyes fundamentales de la naturaleza: “Estos fotones son de tan alta energía que, si no se cumpliera de manera muy precisa uno de los preceptos de la relatividad de Einstein, la invariancia de Lorentz, no podrían recorrer las distancias que los separan de nosotros, de hasta 20 mil años luz”.

Finalmente, el Dr. Carramiñana puntualiza que HAWC ha sido expandido con un arreglo periférico integrado por tanques más pequeños (outriggers) distribuidos más dispersamente, los cuales mejoran la respuesta a los eventos de más alta energía: “También se han ido desarrollando las técnicas de análisis que permiten integrar los datos de estos tanques adicionales con los del arreglo central. Al juntar los datos del arreglo central y los outriggers, tendremos una visión más clara de estos fenómenos. Esto viene a buen tiempo ya que en China ha entrado en operación LHAASO, un arreglo de dimensiones mayores que HAWC, optimizado en las energías más altas. Ahora tenemos una mayor presión por publicar pronto nuestros resultados, ya que debemos competir y colaborar con ellos”.

Las principales instituciones involucradas en este proyecto de origen binacional son el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP), la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), junto con la Universidad de Maryland y Los Alamos National Laboratory. Este esfuerzo de treinta instituciones de México y Estados Unidos, con la incorporación reciente de instituciones en Europa y Asia, ha sido apoyado con financiamiento proveniente del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), así como de la National Science Foundation y el Departamento de Energía de los Estados Unidos.