Los fotones más energéticos que conocemos

En otra entrada de este blog estuvimos buscando los fotones más energéticos creados por el hombre y llegamos a la conclusión de que son algunos de los que produce LHC, el acelerador más potente diseñado hasta la fecha. Sin embargo, como ya adelantamos, constantemente llegan a la Tierra fotones de energías mucho mayores, procedentes de aceleradores cósmicos. En esta entrada vamos a describir brevemente cómo lo sabemos y de dónde pensamos que vienen.
Se sabe desde hace más de 100 años que la Tierra está siendo constantemente bombardeada por partículas de alta energía que vienen del espacio, los llamados rayos cósmicos. En la entrada «Cuando la Tierra ya no nos protege» se ha comentado en detalle. Por su culpa los tripulantes de aviones reciben dosis de radiación más altas de lo normal y, si algún día realizamos viajes interplanetarios largos, tendremos que plantearnos cómo proteger a los astronautas de sus efectos. Los rayos cósmicos nos atraviesan constantemente, mientras lees este artículo un par de ellos cruza tu cerebro cada segundo…
Pues resulta que entre todas las partículas de alta energía que llegan a la Tierra hay una pequeña fracción de fotones. Son muy pocos y no es fácil separarlos de los rayos cósmicos “normales”, mucho más abundantes. Individualmente no sabemos hacerlo, sólo estamos seguros cuando encontramos un exceso estadísticamente significativo, procedente normalmente de una pequeña región del cielo, a la que llamamos «fuente». La primera evidencia sólida de que en el Universo existen fuentes que emiten fotones de muy altas energías data de 1989, hace ahora 25 años. En aquella época, tras veinte años de intentos, el Telescopio Whipple descubrió emisión de fotones de más de 400 GeV de la Nebulosa del Cangrejo. Se trata de los restos de una explosión de Supernova que se pudo ver a simple vista desde la Tierra hace casi mil años. Actualmente sabemos que este objeto produce fotones de hasta 50 TeV, casi 20 veces más que las energías de los fotones de LHC. Hay evidencia experimental de fuentes cósmicas que llegan hasta energías algo mayores, en torno a 80 TeV. Y hay que tener en cuenta que para producirlos es necesario acelerar partículas cargadas a energías aún mucho más altas.
Aún no se conocen bien los mecanismos capaces de acelerar dichas partículas. De hecho no conocemos siquiera cuáles son las partículas que producen los fotones. Probablemente en algunos casos se trata de electrones y en otros de protones, como en los aceleradores terrestres. Hay evidencias en los dos sentidos. Desde el primer descubrimiento se ha encontrado que en el cielo hay muchos objetos que emiten fotones de alta energía. Actualmente conocemos cerca de 150. Podéis ver un catálogo completo aquí. Son objetos de varios tipos: restos de supernova como la del Cangrejo, púlsares, galaxias que albergan agujeros negros en su centro o estrellas de neutrones que devoran a su compañera en sistemas binarios. Todas estas fuentes deben producir tanto fotones como rayos cósmicos, pero sólo los fotones nos sirven para encontrarlas ya que, como muestra la figura, las partículas cargadas se desvían en su camino a la Tierra debido a los campos magnéticos que encuentran y su dirección de llegada no indica de dónde vienen.

¿Cómo detectamos estos fotones? En la mayor parte de los casos, con los llamados Telescopios Cherenkov. Se trata de grandes telescopios ópticos que buscan los breves fogonazos de luz que, por efecto Cherenkov (otro tema que esperamos tratar próximamente en el blog) producen los rayos cósmicos al estrellarse contra la atmósfera. Son capaces de fotografiar estos sucesos que duran unos pocos nanosegundos y almacenar las imágenes. La imagen de un fotón es algo distinta de la que deja un protón, por lo que analizándolas somos capaces de separar estadísticamente los fotones y estimar su dirección y su energía.

La cámara de un Telescopio Cherenkov está formada por cientos de fotomultiplicadores. Para un físico médico el sistema es muy parecido al de una gamma-cámara gigantesca. Los fotones llegan a la atmósfera y dan lugar a partículas cargadas, de la misma forma que ocurre en el cristal centelleador de la gamma-cámara. Las partículas cargadas producen pulsos muy rápidos de luz, en este caso por efecto Cherenkov y en Medicina Nuclear por centelleo. Los espejos del telescopio concentran la luz sobre una cámara hecha de fotomultiplicadores que la transforman en pulsos eléctricos. Construimos así una imagen de la que podemos extraer las características del fotón inicial. Explicar el mecanismo en detalle llevaría una entrada completa. Baste decir que las similitudes entre los detectores usados en Medicina Nuclear y en Astronomía Cherenkov son muchas y tienen en parte la culpa de mi interés personal por ambos campos.
España es un país puntero en Astronomía Cherenkov. Existen observatorios desde hace más de 20 años y actualmente acogemos uno de los mayores del mundo: MAGIC. Se trata de un sistema de dos telescopios de 17 metros de diámetro instalado en la Isla de La Palma. Actualmente estamos ofreciendo Canarias como localización de la futura generación de instrumentos: el observatorio del hemisferio Norte del “Cherenkov Telescope Array”, CTA. Se tratará de un conjunto de unos 20 telescopios de distintos tamaños capaces de detectar fuentes diez veces más débiles que las que conocemos y medir su emisión con mucho más detalle. Si viniera a España sería un centro tecnológico y científico de primera línea.

Hay evidencia indirecta de que en el Universo hay fuentes de fotones de energías mucho mayores, pero muy pocos de ellos alcanzan la Tierra. El porqué ocurre esto quizás se convierta en la tercera entrega de esta serie.