Que es un rayo gamma

Los rayos gamma solo se diferencian de la luz visible, y de otras bandas de radiación electromagnética como por ejemplo la luz infrarroja o la ultravioleta, por su energía (ver recuadro #1). Cuando un fotón tiene una energía más de cien mil veces superior a la de la luz visible recibe el nombre de rayo gamma. Los rayos gamma pueden ser emitidos en el decaimiento de elementos radioactivos, y a mayores energías en las interacciones o el decaimiento de partículas subatómicas.
Por lo tanto, las observaciones en rayos gamma nos permiten revelar fuentes donde las partículas subatómicas pueden ser aceleradas a energías extremas, lo que tiene una importancia fundamental en la astronomía multimensajero, principalmente conectada con los rayos cósmicos y los neutrinos, como veremos.

#1: El espectro electromagnético

La luz visible para el ojo humano representa solo una pequeña banda del espectro de ondas electromagnéticas. La particula portadora de la radiación electromagnética es el fotón. En física de partículas las energías son medidas en "electronvoltios" (eV) y como referencia un fotón de luz visible tiene una energía de aproximadamente 2 eV. A energías más altas que la luz visible encontramos la luz ultravioleta (con energías de 3 a ~100 eV), los rayos X (100 a 100,000 eV) y los rayos gamma para energías superiores. A energías menores encontramos la luz infrarroja (~10-3 a 1 eV), las microondas (~10-6 a ~10-3 eV) y las ondas de radio (por debajo de ~10-6 eV). El diagrama inferior muestra esta escala de energías junto con los prefijos usados en el Sistema Internacional para representar múltiplos y submúltiplos de 1 eV (p.e., 1 keV = 103 eV = 1.000 eV).

Detectando rayos gamma

Afortunadamente para la vida en la Tierra, la atmósfera de nuestro planeta absorbe los rayos gamma provenientes del espacio antes de que lleguen a la superficie. Debido a esto, la detección directa de rayos gamma de origen cósmico solo es posible fuera de la atmósfera, por ejemplo poniendo nuestros detectores a bordo de un satélite en órbita. Esto permite observaciones de todo el cielo, aunque con la desventaja de que el tamaño de los detectores está limitado por el alto costo de enviarlos al espacio.
A energías mayores a ~20 GeV los rayos gamma pueden ser detectados en forma indirecta, observando las cascadas de partículas subatómicas que producen al colisionar contra átomos en las partes superiores de la atmósfera, a una altura de unos 10 km sobre el nivel del mar. A medida que estas partículas viajan por el aire a una velocidad cercana a la de la luz emiten "luz Cherenkov" que es detectable como una luz entre azul y ultravioleta. Si una de estas partículas entra en un cuerpo de agua tambien puede emitir luz Cherenkov.

Métodos indirectos de detección

La detección indirecta de rayos gamma se basa en observar la luz Cherenkov producida por las partículas en la cascada atmosférica utilizando dos métodos:
  • Técnica de detección de luz Cherenkov atmosférica usando telescopios: En este caso se usan grandes telescopios con espejos que concentran la luz Cherenkov producida en el aire en una cámara equipada con detectores de luz muy sensibles en el rango azul-ultravioleta. Combinando imágenes de distintos telescopios podemos determinar la dirección de arribo del rayo gamma original y su energía. La ventaja de estos telescopios es que pueden realizar observaciones muy sensibles y de alta resolución. La desventaja de estos telescopios es que solo pueden observar una región relativamente pequeña del cielo, y que al utilizar una cámara muy sensible a la luz solo pueden operar de noche y sin luna llena. Ya que no detectan las partículas de la cascada directamente sino la luz que producen pueden ubicarse a una altitud moderada (~1.000-2.000 metros sobre el nivel del mar.) Actualmente, tres observatorios de este tipo están en operación: VERITAS en Arizona, EEUU, H.E.S.S. en Namibia, y MAGIC en La Palma, Islas Canarias, España. El observatorio CTA - en desarrollo actualmente, con sitios en La Palma y en el desierto de Atacama, Chile - será el sucesor de estos telescopios actuales.
  • Técnica de detección de las partículas en la cascada: Ya que las partículas también emiten luz Cherenkov al entrar en materiales como el agua, podemos ubicar tanques de agua a muy gran altura (por encima de 4.000 metros sobre el nivel del mar). Si estos tanques son totalmente opacos, podemos detectar los breves destellos de luz Cherenkov producidos por partículas de las cascadas que los atraviesan si colocamos un detector de luz sensible en su interior. Usando un arreglo de detectores Cherenkov de agua podemos medir la dirección de arribo y la energía de los rayos gamma originales. La ventaja de estos detectores es que pueden operar continuamente ya que la luz diurna no afecta la operación de los tanques, y pueden observar una gran parte del cielo al mismo tiempo. La desventaja es que las observaciones no son tan sensibles y tienen menos resolución que las realizadas utilizando los telescopios de luz Cherenkov atmosférica. Actualmente, dos observatorios de este tipo se encuentran en operación: HAWC, cerca de Puebla, México, y LHAASO, en la provincia de Sichuan, China. Un observatorio de este tipo para el hemisferio sur llamado SWGO se encuentra en desarollo.
Los métodos de detección de rayos gamma son ilustrados en la siguiente infografía:

Fuentes cósmicas de rayos gamma

Estas observaciones han revelado fuentes astrofísicas capaces de emitir radiación electromagnética con energías extremas, hasta un billón de veces (1012) la energía de la luz visible o más. Entre estas fuentes podemos encontrar objetos como agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias activas, remanentes de explosiones de supernova dentro de la Vía Láctea, o destellos breves de rayos gamma producidos por la colisión de estrellas de neutrones.

El cielo a altas energías

Podemos ver las diferencias drásticas entre los objetos observables en distintas bandas energéticas en el mapa interactivo de abajo. La primera imagen esta centrada en la constelación de Orión, más precisamente en las tres estrellas que forman el "cinturón", tambien conocidas como "las tres Marías". La mayoría de los puntos de luz que vemos en esta imagen son estrellas. Si cambiamos la vista a "rayos gamma" usando el botón debajo del recuadro veremos exactamente la misma parte del cielo pero en rayos gamma con energías más de 100 millones de veces superiores a la luz visible de la primera imagen captados por el telescopio espacial Fermi. Ninguna estrella es visible en este caso, ya que no son los suficientemente energéticas para producir rayos gamma en abundancia. Sin embargo, vemos algunos puntos de luz, que en su mayoría son agujeros negros supermasivos en los núcleos de galaxias distantes, mientras que las grandes manchas visibles son producidas por partículas energéticas en nuestra galaxia. Una galaxia de núcleo activo en particular (TXS 0506+056, a una distancia de 5.700 millones de años luz de la Tierra) puede verse como una pequeño punto azul en la vista de rayos gamma (los colores en esta vista indican distintas energías de rayos gamma, no colores verdaderos ya que no son visibles al ojo humano).
Es decir, nuestras observaciones a altas energías nos ofrecen una vista radicalmente distinta del Universo a la obtenida con luz visible, además de brindarnos la oportunidad de estudiar objetos mucho más energéticos.