VERITAS ( Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System ) es un importante observatorio de rayos gamma terrestre con un conjunto de cuatro reflectores ópticos de 12 metros para astronomía de rayos gamma en el rango de energía de fotones GeV – TeV . VERITAS utiliza la técnica Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope para observar rayos gamma que causan lluvias de partículas en la atmósfera de la Tierra que se conocen como lluvias de aire extensas . El conjunto VERITAS está ubicado en el Observatorio Fred Lawrence Whipple , en el sur de Arizona , Estados Unidos . El diseño del reflector VERITAS es similar al anterior telescopio de rayos gamma Whipple de 10 metros, ubicado en el mismo sitio, pero es de mayor tamaño y tiene una longitud focal más larga para un mejor control de las aberraciones ópticas. VERITAS consiste en un conjunto de telescopios de imágenes desplegados para ver lluvias de Cherenkov atmosféricas desde múltiples ubicaciones para brindar la mayor sensibilidad en la banda de 100 GeV – 10 TeV (con una sensibilidad de 50 GeV hasta 50 TeV). Este observatorio de muy alta energía, terminado en 2007, complementa eficazmente al Telescopio de Área Grande (LAT) del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi debido a su mayor área de recolección así como a su cobertura en una banda de energía más alta.
VERITAS está formado por cuatro telescopios de 12 m de diámetro para la obtención de imágenes atmosféricas Cherenkov , separados aproximadamente 100 m (330 pies) entre cada telescopio adyacente. [1] Cada telescopio comprende un gran reflector óptico orientable y una cámara de tubo fotomultiplicador de alta velocidad . Se necesitan varios telescopios en un conjunto para realizar observaciones estereoscópicas de la luz Cherenkov producida en extensas lluvias de partículas en el aire. Estas observaciones estereoscópicas permiten reconstruir con precisión la geometría de la lluvia de partículas , lo que proporciona una resolución angular y energética muy mejorada en comparación con un solo telescopio. La dirección angular de la lluvia de partículas entrante se determina encontrando el eje central de la propagación de la lluvia en cada telescopio y trazando esos ejes hasta que se crucen. La intersección de estos ejes determina la dirección entrante de la partícula primaria (rayo cósmico o rayo gamma) que inició la lluvia de partículas en el aire en la atmósfera superior. También determina la posición del núcleo de la lluvia, es decir, la posición extrapolada de la partícula primaria en el suelo si no hubiera interactuado. La energía de la partícula primaria se determina a partir de la cantidad total de luz Cherenkov medida en cada telescopio, junto con la distancia de ese telescopio al núcleo de la lluvia.
Cada uno de los telescopios individuales tiene una apertura de 12 m de diámetro y un campo de visión de 3,5 grados. Los telescopios están construidos sobre un diseño óptico Davies-Cotton, que utiliza un reflector esférico y es sencillo de construir y alinear. Este diseño provoca cierta dispersión temporal en la llegada de los fotones Cherenkov a la cámara, pero esta dispersión es pequeña (~ 4 nanosegundos). [2] El reflector consta de 350 facetas de espejo individuales, de forma hexagonal, montadas en una estructura de soporte óptico rígida. La cámara de cada telescopio tiene 499 píxeles individuales ( tubos fotomultiplicadores de alta velocidad de 26 mm de diámetro ). VERITAS, como otros IACT , es sensible a las partículas primarias que producen suficiente luz Cherenkov atmosférica para ser detectable en el suelo. Su rango completo de sensibilidad es de 50 GeV a 50 TeV (aunque la reconstrucción espectral no comienza hasta al menos 100 GeV, dependiendo de la intensidad de la fuente). La energía y la resolución angular dependen de la energía del rayo gamma incidente, pero a 1 TeV la resolución energética es de ~17% y la resolución angular es de 0,08 grados (radio de contención del 65%). El conjunto completo tiene un área efectiva máxima de 100.000 metros cuadrados por encima de 1 TeV. VERITAS puede detectar una fuente astrofísica muy débil con un flujo de rayos gamma de solo el 1% de la Nebulosa del Cangrejo en menos de 25 horas de observación. Las fuentes más potentes se pueden detectar en un tiempo significativamente menor.
Para distinguir entre los eventos de fondo (es decir, lluvias hadrónicas y muones ) o el ruido (es decir, luz de las estrellas y la luz de la luna) y los datos objetivo (es decir, lluvias electromagnéticas producidas por rayos gamma), VERITAS utiliza un sistema de activación de tres niveles. El nivel uno corresponde a un cruce de nivel en cada píxel utilizando discriminadores de fracción constante . El nivel dos es un disparador de selección de patrones, que selecciona lluvias similares a fotones, que tienen formas compactas, y elimina la mayoría de las lluvias de fondo, que producen formas más aleatorias en cada cámara. El nivel tres es el disparador de matriz que busca una coincidencia en el tiempo de llegada de la lluvia a múltiples telescopios. [3]
La luz Cherenkov que producen los rayos gamma en la atmósfera superior es muy tenue, por lo que VERITAS realiza mejores observaciones en cielos despejados y oscuros. No es posible realizar observaciones en cielos nublados o lluviosos, o cuando la Luna está muy brillante. Sin embargo, se realizan observaciones regularmente cuando la Luna está tenue o moderadamente brillante (normalmente menos del 60 % de iluminación). El tiempo total de observación anual suele ser de unas 1200 horas (de las cuales unas 200-250 horas son durante la luz de la Luna más brillante, con una iluminación de entre el 20 y el 60 %). El observatorio no suele recopilar datos en julio o agosto debido a las condiciones locales del monzón.
VERITAS fue diseñado para explorar el cielo de rayos gamma de muy alta energía (VHE) por encima de 100 GeV , siguiendo el éxito del telescopio de rayos gamma Whipple de 10 m. El telescopio Whipple fue pionero en el uso de una cámara Cherenkov de imágenes, acoplada a un gran reflector de 10 m de diámetro, para hacer la primera detección definitiva de una fuente de rayos gamma VHE, la Nebulosa del Cangrejo en 1989. [4] Posteriormente, el telescopio HEGRA en La Palma demostró una buena sensibilidad por encima de 1 TeV utilizando una matriz de telescopios Cherenkov de imágenes atmosféricas. VERITAS combina los beneficios de las observaciones estereoscópicas en una matriz con grandes reflectores para un umbral de energía bajo. En comparación con el telescopio Whipple, VERITAS emplea reflectores más grandes de 12 m de diámetro, óptica mejorada y eficiencia de recolección de luz, y una cámara pixelada más fina. Tanto la grabación (utilizando Flash-ADC hechos a medida de 500 MS/s) como la electrónica de disparo (utilizando un sofisticado sistema de tres niveles) se mejoraron significativamente en comparación con los instrumentos anteriores. VERITAS fue concebido en la década de 1990, junto con otros tres conjuntos de telescopios Cherenkov atmosféricos (IACT): CANGAROO-III, HESS y MAGIC . VERITAS es actualmente el único conjunto IACT que opera en el hemisferio occidental.
La primera propuesta para VERITAS (llamada VHEGRA en ese momento) fue presentada por Trevor Weekes ( Observatorio Astrofísico Smithsoniano (SAO)) al Instituto Smithsoniano en 1995; esta propuesta describía un conjunto de nueve telescopios Cherenkov de 10 m de diámetro. En 1998, se celebró la primera reunión de colaboración de VERITAS en la Universidad de Chicago . En 2000, el concepto de VERITAS como un conjunto de siete telescopios fue recomendado por la Encuesta Decadal de 2000 en Astronomía y Astrofísica como un proyecto de tamaño moderado. [5] Se produjeron retrasos debido a dificultades con dos sitios propuestos en Arizona (Montosa Canyon en la base del Monte Hopkins y Kitt Peak ) y debido a una reducción en la financiación disponible. La propuesta para un conjunto de cuatro telescopios (ahora con reflectores de 12 m de diámetro) fue revisada favorablemente en 2002 y la construcción de VERITAS comenzó en 2003 en el Observatorio Fred Lawrence Whipple . Un prototipo inicial de telescopio fue completado como Telescopio #1 y vio su primera luz en 2004. La construcción del Telescopio #2 se completó en 2005 y las primeras observaciones estereoscópicas comenzaron ese año. Los telescopios #3 y #4 se completaron a principios de 2007 y la primera celebración de la luz para el conjunto completo de telescopios fue el 27 y 28 de abril de 2007. [6] Las operaciones científicas regulares para VERITAS comenzaron en septiembre de 2007. La construcción de VERITAS fue financiada en gran parte en los EE. UU. por el Departamento de Energía , la Fundación Nacional de Ciencias y el Instituto Smithsoniano . La financiación adicional para la construcción fue proporcionada por Enterprise Ireland (ahora Science Foundation Ireland ) y el Consejo de Investigación de Física de Partículas y Astronomía en el Reino Unido .
Desde 2007, se han realizado mejoras y actualizaciones periódicas en VERITAS. El telescopio nº 1 se trasladó en el verano de 2009 a una nueva ubicación para mejorar la geometría del conjunto (y la sensibilidad a los rayos gamma). [1] Entre 2009 y 2011 se llevó a cabo un programa de actualización que mejoró la alineación de las facetas del espejo de VERITAS y reemplazó el sistema de disparo de nivel 2. Además, en el verano de 2012, todos los tubos fotomultiplicadores de la cámara se actualizaron a tubos de alta eficiencia cuántica, lo que aumentó nuevamente la sensibilidad, especialmente cerca del extremo inferior del rango de energía de los rayos gamma. En comparación con su sensibilidad de diseño inicial, la sensibilidad real lograda de VERITAS es significativamente mejor y el tiempo necesario para detectar fuentes de rayos gamma débiles se redujo en más de un factor de dos. [6]
En junio de 2017, se realizó una celebración en el Observatorio Whipple para celebrar los diez años de ciencia VERITAS. [7]
VERITAS tiene un amplio programa científico que combina aspectos clave de la astronomía, explorando el universo en la nueva banda de ondas de rayos gamma VHE, y la física, buscando nuevas partículas de fenómenos más allá del modelo estándar de física de partículas. Las preguntas básicas que se persiguen incluyen: comprender la aceleración de partículas cósmicas en nuestra galaxia (con especial énfasis en comprender el origen de los rayos cósmicos ) y más allá de nuestra galaxia, sondear entornos extremos cerca de objetos compactos como estrellas de neutrones y agujeros negros , la naturaleza de la materia oscura y el campo magnético intergaláctico, y si la velocidad de la luz es constante en estas energías extremas de rayos gamma. El programa de observación VERITAS incluye fuentes galácticas como remanentes de supernovas , púlsares , nebulosas de viento de púlsar , sistemas binarios y la enigmática fuente de rayos gamma en el Centro Galáctico . Las fuentes extragalácticas incluyen núcleos galácticos activos , galaxias con brotes de formación estelar y estallidos de rayos gamma . Un componente importante de las observaciones de VERITAS es el asociado con el seguimiento de múltiples longitudes de onda y múltiples mensajeros , incluyendo ráfagas rápidas de radio (FRB), neutrinos de alta energía y eventos de ondas gravitacionales . VERITAS tiene un extenso programa de materia oscura, en el que se realizan búsquedas indirectas para encontrar rayos gamma VHE resultantes de la aniquilación de partículas de materia oscura. La mayoría de estas búsquedas se dirigen al Centro Galáctico y a las galaxias esferoidales enanas . A partir de 2017, el programa científico de VERITAS se amplió para incluir observaciones en la banda de ondas ópticas a través de mediciones de alta resolución temporal de ocultaciones de asteroides e interferometría de intensidad estelar.
En 2020, las investigaciones de VERITAS dieron lugar a 58 doctorados y más de 100 publicaciones revisadas por pares. Como se muestra en la figura, VERITAS ha detectado 63 fuentes astrofísicas de rayos gamma de muy alta energía (hasta enero de 2020). El primer catálogo de fuentes de VERITAS tenía solo seis fuentes.
Algunos de los aspectos científicos más destacados de VERITAS incluyen:
Los investigadores de VERITAS también han sido pioneros en el uso de un IACT para llevar a cabo ciencia ciudadana . Para mejorar la detección de eventos muónicos , se creó el proyecto Muon Hunter en la plataforma Zooniverse . El proyecto mostraba imágenes tomadas con VERITAS y los voluntarios ciudadanos tenían que clasificar las imágenes como eventos muónicos o no muónicos. Luego, los investigadores entrenaron un algoritmo de aprendizaje automático que funcionó mejor que el análisis estándar. [22] En Muon Hunter 2.0, el proyecto intentará mejorar el resultado con un enfoque de aprendizaje automático diferente. [23]
La colaboración VERITAS se formó oficialmente mediante la firma de un acuerdo de trabajo en equipo en 2000 entre nueve instituciones miembro en tres países. Las instituciones miembro fueron: Iowa State University , Purdue University , Smithsonian Astrophysical Observatory , University of California, Los Angeles , University of Chicago , University of Utah y Washington University en St. Louis en los EE. UU., University of Leeds en el Reino Unido y National University of Ireland Dublin en Irlanda. Una décima institución miembro, la McGill University en Canadá, se agregó con un acuerdo actualizado en 2008. Los representantes de las instituciones miembro forman el Consejo Ejecutivo de VERITAS (VEC), que sirve como la máxima autoridad de toma de decisiones dentro de la colaboración. [6]
En 2008, la colaboración se amplió con la incorporación de instituciones colaboradoras que tienen representación en el Consejo Científico de VERITAS, que dirige el programa científico de VERITAS. Las instituciones colaboradoras iniciales fueron: Adler Planetarium , Barnard College , Cork Institute of Technology , DePauw University , Galway-Mayo Institute of Technology , Grinnell College , National University of Ireland, Galway , University of California, Santa Cruz , University of Iowa y University of Massachusetts, Amherst .
A partir de 2019, la colaboración VERITAS consta de ~80 científicos de instituciones en Canadá, Alemania, Irlanda y los EE. UU. Las instituciones participantes son: Barnard College , Columbia University , Cork Institute of Technology , DESY , Georgia Institute of Technology , Iowa State University , McGill University , National University of Ireland, Galway , Purdue University , Smithsonian Astrophysical Observatory , University College Dublin , University of California, Los Angeles , University of California, Santa Cruz , University of Chicago , University of Delaware , University of Iowa , University of Minnesota , University of Utah y Washington University en St. Louis . También hay miembros no afiliados y asociados de varias otras instituciones. [6]
El presidente del Comité Científico de VERITAS es el Portavoz. Hay un Portavoz Adjunto que colabora en la dirección de la colaboración. En la siguiente tabla se ofrece una lista cronológica de los Portavoces y Portavoces Adjuntos de VERITAS. A partir de 2007, el Portavoz/Portavoz Adjunto cumple un mandato de dos años y puede ser reelegido.
A partir de 2019, las siguientes agencias proporcionan financiamiento operativo para VERITAS: la National Science Foundation y el Smithsonian Institution en los EE. UU., el Natural Sciences and Engineering Research Council en Canadá, la Helmholtz Association en Alemania.
