La astronomía de rayos gamma es la observación astronómica de los rayos gamma , [nb 1] la forma más energética de radiación electromagnética , con energías de fotones superiores a 100 keV . La radiación por debajo de 100 keV se clasifica como rayos X y es objeto de la astronomía de rayos X.
En la mayoría de los casos conocidos, los rayos gamma de las erupciones solares y de la atmósfera terrestre se generan en el rango de MeV, pero ahora se sabe que los rayos gamma en el rango de GeV también pueden ser generados por erupciones solares. Se creía que los rayos gamma en el rango de GeV no se originan en el Sistema Solar . Dado que los rayos gamma GeV son importantes en el estudio de la astronomía extrasolar, y especialmente extragaláctica, nuevas observaciones pueden complicar algunos modelos y hallazgos anteriores. [2] [3]
Los mecanismos que emiten rayos gamma son diversos, en su mayoría idénticos a los que emiten rayos X pero a energías más altas, incluida la aniquilación electrón-positrón , el efecto Compton inverso y, en algunos casos, también la desintegración de material radiactivo (desintegración gamma) en el espacio [4 ] que refleja eventos extremos como supernovas e hipernovas , y el comportamiento de la materia en condiciones extremas, como en púlsares y blazares .
Mucho antes de que los experimentos pudieran detectar los rayos gamma emitidos por fuentes cósmicas, los científicos sabían que el universo debería estar produciéndolos. Los trabajos de Eugene Feenberg y Henry Primakoff en 1948, Sachio Hayakawa e IB Hutchinson en 1952 y, especialmente, Philip Morrison en 1958 [5] habían llevado a los científicos a creer que una serie de procesos diferentes que estaban ocurriendo en el universo darían como resultado gamma. -emisión de rayos. Estos procesos incluyeron interacciones de rayos cósmicos con gas interestelar , explosiones de supernovas e interacciones de electrones energéticos con campos magnéticos . Sin embargo, no fue hasta la década de 1960 que nuestra capacidad para detectar realmente estas emisiones se hizo realidad. [6]
La mayoría de los rayos gamma provenientes del espacio son absorbidos por la atmósfera terrestre, por lo que la astronomía de rayos gamma no pudo desarrollarse hasta que fue posible conseguir detectores sobre toda o la mayor parte de la atmósfera utilizando globos y naves espaciales. El primer telescopio de rayos gamma puesto en órbita, en el satélite Explorer 11 en 1961, captó menos de 100 fotones cósmicos de rayos gamma. Parecían venir de todas las direcciones del Universo, lo que implica una especie de "fondo de rayos gamma" uniforme. Semejante fondo se esperaría de la interacción de los rayos cósmicos (partículas cargadas muy energéticas en el espacio) con el gas interestelar.
Las primeras fuentes astrofísicas verdaderas de rayos gamma fueron las erupciones solares, que revelaron la fuerte línea de 2,223 MeV predicha por Morrison. Esta línea resulta de la formación de deuterio mediante la unión de un neutrón y un protón; En una erupción solar, los neutrones aparecen como secundarios de las interacciones de iones de alta energía acelerados en el proceso de erupción. Estas primeras observaciones de líneas de rayos gamma fueron de OSO 3 , OSO 7 y la Misión Máximo Solar , esta última nave espacial lanzada en 1980. Las observaciones solares inspiraron el trabajo teórico de Reuven Ramaty y otros. [7]
Una importante emisión de rayos gamma procedente de nuestra galaxia fue detectada por primera vez en 1967 [8] por el detector a bordo del satélite OSO 3 . Detectó 621 eventos atribuibles a los rayos gamma cósmicos. Sin embargo, el campo de la astronomía de rayos gamma dio grandes pasos con los satélites SAS-2 (1972) y Cos-B (1975-1982). Estos dos satélites proporcionaron una visión fascinante del universo de alta energía (a veces llamado universo "violento", porque los tipos de eventos en el espacio que producen rayos gamma tienden a ser colisiones de alta velocidad y procesos similares). Confirmaron los hallazgos anteriores sobre el fondo de rayos gamma, produjeron el primer mapa detallado del cielo en longitudes de onda de rayos gamma y detectaron varias fuentes puntuales. Sin embargo, la resolución de los instrumentos fue insuficiente para identificar la mayoría de estas fuentes puntuales con estrellas visibles o sistemas estelares específicos.
A finales de los años 1960 y principios de los años 1970 se produjo un descubrimiento en astronomía de rayos gamma a partir de una constelación de satélites de defensa militar. Los detectores a bordo de la serie de satélites Vela , diseñados para detectar destellos de rayos gamma procedentes de explosiones de bombas nucleares, comenzaron a registrar ráfagas de rayos gamma procedentes del espacio profundo en lugar de las proximidades de la Tierra. Detectores posteriores determinaron que estos estallidos de rayos gamma duran desde fracciones de segundo hasta minutos, apareciendo repentinamente desde direcciones inesperadas, parpadeando y luego desapareciendo después de dominar brevemente el cielo de rayos gamma. Estudiados desde mediados de la década de 1980 con instrumentos a bordo de una variedad de satélites y sondas espaciales, incluida la nave espacial soviética Venera y el Pioneer Venus Orbiter , las fuentes de estos enigmáticos destellos de alta energía siguen siendo un misterio. Parecen provenir de lugares muy lejanos del Universo, y actualmente la teoría más probable parece ser que al menos algunas de ellas provienen de las llamadas explosiones de hipernovas : supernovas que crean agujeros negros en lugar de estrellas de neutrones .
Se observaron rayos gamma nucleares en las erupciones solares del 4 y 7 de agosto de 1972 y del 22 de noviembre de 1977. [9] Una erupción solar es una explosión en una atmósfera solar y originalmente se detectó visualmente en el Sol . Las erupciones solares crean cantidades masivas de radiación en todo el espectro electromagnético, desde la longitud de onda más larga, las ondas de radio , hasta los rayos gamma de alta energía. Las correlaciones de los electrones de alta energía energizados durante la llamarada y los rayos gamma son causadas principalmente por combinaciones nucleares de protones de alta energía y otros iones más pesados. Estos rayos gamma se pueden observar y permiten a los científicos determinar los principales resultados de la energía liberada, que no proporcionan las emisiones de otras longitudes de onda. [10]
Véase también Magnetar#1979, detección del descubrimiento de un repetidor gamma suave .
La observación de rayos gamma fue posible por primera vez en la década de 1960. Su observación es mucho más problemática que la de los rayos X o la de la luz visible, porque los rayos gamma son comparativamente raros, incluso una fuente "brillante" necesita un tiempo de observación de varios minutos antes de ser detectada, y porque los rayos gamma son difíciles de detectar. enfocar, lo que da como resultado una resolución muy baja. La generación más reciente de telescopios de rayos gamma (década de 2000) tiene una resolución del orden de 6 minutos de arco en el rango GeV (viendo la Nebulosa del Cangrejo como un solo "píxel"), en comparación con los 0,5 segundos de arco observados en la Nebulosa X de baja energía. -rayos X (1 keV) por el Observatorio de rayos X Chandra (1999), y aproximadamente 1,5 minutos de arco en el rango de rayos X de alta energía (100 keV) visto por el Telescopio de enfoque de alta energía (2005).
Los rayos gamma muy energéticos, con energías de fotones superiores a ~30 GeV, también pueden detectarse mediante experimentos terrestres. Los flujos de fotones extremadamente bajos a energías tan altas requieren áreas efectivas del detector que son poco prácticas para los instrumentos espaciales actuales. Estos fotones de alta energía producen extensas lluvias de partículas secundarias en la atmósfera, que pueden observarse desde la Tierra, tanto directamente mediante contadores de radiación como ópticamente a través de la luz de Cherenkov que emiten las partículas ultrarelativistas. La técnica del Telescopio Cherenkov de imágenes atmosféricas alcanza actualmente la mayor sensibilidad.
La radiación gamma en el rango de TeV que emana de la Nebulosa del Cangrejo fue detectada por primera vez en 1989 por el Observatorio Fred Lawrence Whipple en Mt. Hopkins , en Arizona , Estados Unidos. Los experimentos modernos de los telescopios Cherenkov como HESS , VERITAS , MAGIC y CANGAROO III pueden detectar la Nebulosa del Cangrejo en unos pocos minutos. Los fotones más energéticos (hasta 16 TeV ) observados en un objeto extragaláctico se originan en el blazar Markarian 501 (Mrk 501). Estas mediciones fueron realizadas por los telescopios aéreos Cherenkov de astronomía de rayos gamma de alta energía ( HEGRA ) .
Las observaciones de astronomía de rayos gamma todavía están limitadas por fondos que no son de rayos gamma a energías más bajas y, a energías más altas, por la cantidad de fotones que pueden detectarse. Detectores de área más grande y una mejor supresión de fondo son esenciales para avanzar en este campo. [11] Un descubrimiento realizado en 2012 podría permitir enfocar telescopios de rayos gamma. [12] A energías de fotones superiores a 700 keV, el índice de refracción comienza a aumentar nuevamente. [12]
El 19 de junio de 1988, desde Birigüi (50° 20' W, 21° 20' S) a las 10:15 UTC se produjo el lanzamiento de un globo que llevaba dos detectores de NaI(Tl) (600 cm 2 de área total) a una altitud de presión atmosférica de 5,5 mb durante un tiempo total de observación de 6 horas. [13] La supernova SN1987A en la Gran Nube de Magallanes (LMC) fue descubierta el 23 de febrero de 1987, y su progenitor, Sanduleak -69 202 , era una supergigante azul con una luminosidad de 2-5 × 1038 ergios/s. [13] Se han detectadolíneas de rayos gamma de 847 keV y 1238 keV procedentes de la desintegración del 56 Co. [13]
Durante su programa del Observatorio de Astronomía de Altas Energías en 1977, la NASA anunció planes para construir un "gran observatorio" para la astronomía de rayos gamma. El Observatorio Compton de Rayos Gamma (CGRO) fue diseñado para aprovechar los principales avances en la tecnología de detectores durante la década de 1980 y fue lanzado en 1991. El satélite llevaba cuatro instrumentos principales que han mejorado enormemente la resolución espacial y temporal de las observaciones de rayos gamma. . El CGRO proporcionó grandes cantidades de datos que se utilizan para mejorar nuestra comprensión de los procesos de alta energía en nuestro Universo. CGRO fue sacado de órbita en junio de 2000 como consecuencia del fallo de uno de sus giroscopios estabilizadores .
BeppoSAX se lanzó en 1996 y fue desorbitado en 2003. Estudió principalmente rayos X, pero también observó explosiones de rayos gamma. Al identificar las primeras contrapartes de los estallidos de rayos gamma que no son rayos gamma, abrió el camino para la determinación precisa de su posición y la observación óptica de sus restos que se desvanecen en galaxias distantes.
El High Energy Transient Explorer 2 (HETE-2) se lanzó en octubre de 2000 (en una misión nominal de dos años) y todavía estaba operativo (pero desapareciendo) en marzo de 2007. La misión HETE-2 finalizó en marzo de 2008.
Swift , una nave espacial de la NASA, fue lanzada en 2004 y lleva el instrumento BAT para observaciones de explosiones de rayos gamma. Después de BeppoSAX y HETE-2, ha observado numerosas contrapartes ópticas y de rayos X de ráfagas, lo que ha permitido determinar distancias y realizar un seguimiento óptico detallado. Estos han establecido que la mayoría de las explosiones se originan en explosiones de estrellas masivas ( supernovas e hipernovas ) en galaxias distantes. A partir de 2021, Swift sigue operativo. [15]
Actualmente, los (otros) principales observatorios espaciales de rayos gamma son INTEGRAL (Laboratorio Internacional de Astrofísica de Rayos Gamma), Fermi y AGILE (Astro-rivelatore Gamma a Immagini Leggero).
En noviembre de 2010, utilizando el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi , se detectaron en el corazón de la Vía Láctea dos gigantescas burbujas de rayos gamma, que abarcaban unos 25.000 años luz de diámetro . Se sospecha que estas burbujas de radiación de alta energía surgen de un agujero negro masivo o evidencia de una explosión de formaciones estelares de hace millones de años. Fueron descubiertos después de que los científicos filtraran la "niebla de rayos gamma de fondo que baña el cielo". Este descubrimiento confirmó pistas previas de que una gran "estructura" desconocida se encontraba en el centro de la Vía Láctea. [dieciséis]
En 2011, el equipo Fermi publicó su segundo catálogo de fuentes de rayos gamma detectadas por el Telescopio de Área Grande (LAT) del satélite, que produjo un inventario de 1.873 objetos que brillaban con la forma de luz de mayor energía. El 57% de las fuentes son blazares . Más de la mitad de las fuentes son galaxias activas , sus agujeros negros centrales crearon emisiones de rayos gamma detectadas por el LAT. Un tercio de las fuentes no han sido detectadas en otras longitudes de onda. [14]
Los observatorios terrestres de rayos gamma incluyen HAWC , MAGIC , HESS y VERITAS . Los observatorios terrestres exploran un rango de energía más alto que los observatorios espaciales, ya que sus áreas efectivas pueden ser muchos órdenes de magnitud mayores que las de un satélite.
En abril de 2018 se publicó el catálogo más grande hasta el momento de fuentes de rayos gamma de alta energía en el espacio. [17]
En un comunicado de prensa del 18 de mayo de 2021, el Gran Observatorio de Duchas de Aire a Gran Altitud (LHAASO) de China informó de la detección de una docena de rayos gamma de energía ultraalta con energías superiores a 1 petaelectrónvoltio (cuatrillones de electronvoltios o PeV), incluidos uno de 1,4 PeV, el fotón de mayor energía jamás observado. Los autores del informe denominaron PeVatrons a las fuentes de estos rayos gamma PeV. [ cita necesaria ]
Los astrónomos que utilizaron el telescopio Gemini Sur ubicado en Chile observaron el destello de una explosión de rayos gamma identificada como GRB221009A , el 14 de octubre de 2022. Las explosiones de rayos gamma son los destellos de luz más energéticos que se conocen en el universo. Los científicos de la NASA estimaron que la explosión se produjo en un punto a 2,4 mil millones de años luz de la Tierra. El estallido de rayos gamma se produjo cuando algunas estrellas gigantes explotaron al final de sus vidas antes de colapsar en agujeros negros, en dirección a la constelación de Sagita . Se ha estimado que la explosión liberó hasta 18 teraelectronvoltios de energía, o incluso un posible TeV de 251. Parecía que GRB221009A era una larga explosión de rayos gamma, posiblemente provocada por una explosión de supernova. [18] [19]
