La astronomía de rayos gamma es un subcampo de la astronomía en el que los científicos observan y estudian objetos celestes y fenómenos en el espacio exterior que emiten radiación electromagnética cósmica en forma de rayos gamma , [nb 1] es decir, fotones con las energías más altas (por encima de 100 keV ) en las longitudes de onda más cortas. La radiación por debajo de 100 keV se clasifica como rayos X y es el tema de la astronomía de rayos X.
En la mayoría de los casos, los rayos gamma de las erupciones solares y la atmósfera de la Tierra caen en el rango de MeV, pero ahora se sabe que las erupciones solares también pueden producir rayos gamma en el rango de GeV, al contrario de las creencias anteriores. Gran parte de la radiación gamma detectada proviene de colisiones entre gas hidrógeno y rayos cósmicos dentro de nuestra galaxia . Estos rayos gamma, originados por diversos mecanismos como la aniquilación electrón-positrón , el efecto Compton inverso y en algunos casos la desintegración gamma , [2] ocurren en regiones de temperatura, densidad y campos magnéticos extremos, lo que refleja procesos astrofísicos violentos como la desintegración de piones neutros . Proporcionan información sobre eventos extremos como supernovas , hipernovas y el comportamiento de la materia en entornos como púlsares y blazares . Se han identificado una gran cantidad de sistemas de alta energía que emiten rayos gamma, como agujeros negros , coronas estelares , estrellas de neutrones , estrellas enanas blancas , restos de supernovas, cúmulos de galaxias, incluida la Nebulosa del Cangrejo y el púlsar de Vela (la fuente más potente hasta ahora), junto con un fondo difuso general de rayos gamma a lo largo del plano de la galaxia, la Vía Láctea . La radiación cósmica con la energía más alta desencadena cascadas de electrones y fotones en la atmósfera, mientras que los rayos gamma de menor energía solo son detectables por encima de ella. Los estallidos de rayos gamma , como GRB 190114C , son fenómenos transitorios que desafían nuestra comprensión de los procesos astrofísicos de alta energía , que van desde microsegundos a varios cientos de segundos.
Los rayos gamma son difíciles de detectar debido a su alta energía y al bloqueo que provoca la atmósfera terrestre, por lo que se necesitan detectores transportados por globos y satélites artificiales en el espacio. Los primeros experimentos de los años 1950 y 1960 utilizaron globos para transportar instrumentos con el fin de acceder a altitudes donde la absorción atmosférica de rayos gamma es baja, a lo que siguió el lanzamiento de los primeros satélites de rayos gamma: SAS 2 (1972) y COS-B (1975). Se trataba de satélites de defensa diseñados originalmente para detectar rayos gamma procedentes de pruebas nucleares secretas, pero afortunadamente descubrieron desconcertantes explosiones de rayos gamma procedentes del espacio profundo. En los años 1970, los observatorios satelitales encontraron varias fuentes de rayos gamma, entre las que se encontraba una fuente muy potente llamada Geminga que más tarde se identificó como un púlsar en las proximidades. El Observatorio de Rayos Gamma Compton (lanzado en 1991) reveló numerosas fuentes de rayos gamma en el espacio. En la actualidad, tanto los observatorios terrestres como el conjunto VERITAS como los telescopios espaciales como el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi (lanzado en 2008) contribuyen significativamente a la astronomía de rayos gamma. Este campo interdisciplinario implica la colaboración entre físicos, astrofísicos e ingenieros en proyectos como el Sistema Estereoscópico de Altas Energías (HESS), que explora entornos astrofísicos extremos como las proximidades de los agujeros negros en los núcleos galácticos activos .
El estudio de los rayos gamma proporciona información valiosa sobre los entornos astrofísicos extremos, como los observados por el Observatorio HESS. Las investigaciones en curso tienen como objetivo ampliar nuestra comprensión de las fuentes de rayos gamma, como los blazares, y sus implicaciones para la cosmología. Como los rayos gamma GeV son importantes en el estudio de la astronomía extrasolar, y especialmente la extragaláctica , nuevas observaciones pueden complicar algunos modelos y hallazgos anteriores. [3] [4]
Los futuros avances en astronomía de rayos gamma integrarán datos de observatorios de ondas gravitacionales y neutrinos ( astronomía de mensajeros múltiples ), lo que enriquecerá nuestra comprensión de eventos cósmicos como las fusiones de estrellas de neutrones. Los avances tecnológicos, incluidos diseños avanzados de espejos , mejores tecnologías de cámaras , sistemas de disparo mejorados, electrónica de lectura más rápida , detectores de fotones de alto rendimiento como los fotomultiplicadores de silicio (SiPM), junto con algoritmos innovadores de procesamiento de datos como técnicas de etiquetado de tiempo y métodos de reconstrucción de eventos , mejorarán la resolución espacial y temporal . Los algoritmos de aprendizaje automático y el análisis de big data facilitarán la extracción de información significativa de vastos conjuntos de datos, lo que conducirá al descubrimiento de nuevas fuentes de rayos gamma, la identificación de firmas específicas de rayos gamma y la mejora del modelado de los mecanismos de emisión de rayos gamma. Las misiones futuras pueden incluir telescopios espaciales y observatorios lunares de rayos gamma (aprovechando la falta de atmósfera y el entorno estable de la Luna para observaciones prolongadas), lo que permitirá realizar observaciones en regiones previamente inaccesibles. Se prevé que el proyecto Cherenkov Telescope Array , un observatorio de rayos gamma de última generación que incorporará muchas de estas mejoras y será diez veces más sensible, esté plenamente operativo en 2025. [5]
Mucho antes de que los experimentos pudieran detectar los rayos gamma emitidos por fuentes cósmicas, los científicos ya 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 [6] habían llevado a los científicos a creer que una serie de procesos diferentes que estaban ocurriendo en el universo darían lugar a la emisión de rayos gamma. Estos procesos incluían 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. [7]
La mayor parte de los rayos gamma que llegan desde el espacio son absorbidos por la atmósfera terrestre, por lo que la astronomía de rayos gamma no pudo desarrollarse hasta que fue posible colocar detectores sobre toda o la mayor parte de la atmósfera utilizando globos y naves espaciales. El primer telescopio de rayos gamma que se puso en órbita, a bordo del satélite Explorer 11 en 1961, captó menos de 100 fotones de rayos gamma cósmicos. Parecían proceder de todas las direcciones del Universo, lo que implicaba una especie de "fondo de rayos gamma" uniforme. Se esperaría que se formara un fondo de rayos gamma de esa naturaleza a partir 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 potente línea de 2,223 MeV predicha por Morrison. Esta línea resulta de la formación de deuterio a través de 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 Solar Maximum Mission , esta última nave espacial lanzada en 1980. Las observaciones solares inspiraron el trabajo teórico de Reuven Ramaty y otros. [8]
En 1967 [9] , el detector a bordo del satélite OSO 3 detectó por primera vez una emisión significativa de rayos gamma procedentes de nuestra galaxia . Detectó 621 eventos atribuibles a rayos gamma cósmicos. Sin embargo, el campo de la astronomía de rayos gamma dio un gran paso adelante 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 el 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 del fondo de rayos gamma, produjeron el primer mapa detallado del cielo en longitudes de onda de rayos gamma y detectaron una serie de fuentes puntuales. Sin embargo, la resolución de los instrumentos fue insuficiente para identificar la mayoría de estas fuentes puntuales con estrellas visibles específicas o sistemas estelares.
Un descubrimiento en la astronomía de rayos gamma llegó a finales de la década de 1960 y principios de la de 1970 de la mano 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 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 se observa que estas ráfagas de rayos gamma duran fracciones de segundo a minutos, aparecen repentinamente desde direcciones inesperadas, parpadean y luego se desvanecen después de dominar brevemente el cielo de rayos gamma. Estudiadas desde mediados de la década de 1980 con instrumentos a bordo de una variedad de satélites y sondas espaciales, incluidas 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 algunos de ellos provienen de las llamadas explosiones de hipernovas : supernovas que crean agujeros negros en lugar de estrellas de neutrones .
Los rayos gamma nucleares se observaron en las erupciones solares del 4 y 7 de agosto de 1972 y del 22 de noviembre de 1977. [10] Una erupciones solares es una explosión en una atmósfera solar y se detectó originalmente 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 erupción 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 es proporcionada por las emisiones de otras longitudes de onda. [11]
Véase también Magnetar#1979 descubrimiento detección de un repetidor gamma suave .
La observación de rayos gamma se hizo 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 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 de GeV (viendo la Nebulosa del Cangrejo como un solo "píxel"), en comparación con los 0,5 segundos de arco observados en el rango de rayos X de baja energía (1 keV) por el Observatorio de rayos X Chandra (1999), y alrededor de 1,5 minutos de arco en el rango de rayos X de alta energía (100 keV) observado 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 de detección que son imprácticamente grandes para los instrumentos espaciales actuales. Estos fotones de alta energía producen extensas lluvias de partículas secundarias en la atmósfera que pueden observarse en tierra, tanto directamente mediante contadores de radiación como ópticamente a través de la luz Cherenkov que emiten las partículas de la lluvia ultrarrelativista. La técnica del telescopio Cherenkov de imágenes atmosféricas logra 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 , en los EE. UU. Los experimentos modernos con 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 desde un objeto extragaláctico se originan en el blazar , Markarian 501 (Mrk 501). Estas mediciones se realizaron con los telescopios Cherenkov aéreos de astronomía de rayos gamma de alta energía ( HEGRA ) .
Las observaciones astronómicas de rayos gamma aún están limitadas por fondos que no son de rayos gamma a energías más bajas y, a energías más altas, por el número de fotones que se pueden detectar. Detectores de área más grande y mejor supresión de fondo son esenciales para el progreso en el campo. [12] Un descubrimiento en 2012 puede permitir enfocar telescopios de rayos gamma. [13] A energías de fotones mayores de 700 keV, el índice de refracción comienza a aumentar nuevamente. [13]
El 19 de junio de 1988, desde Birigüi (50° 20' O, 21° 20' S) a las 10:15 UTC se produjo el lanzamiento de un globo que transportaba dos detectores de NaI(Tl) (600 cm 2 de área total) a una altitud de presión de aire de 5,5 mb para un tiempo total de observación de 6 horas. [14] La supernova SN1987A en la Gran Nube de Magallanes (LMC) fue descubierta el 23 de febrero de 1987, y su progenitora, Sanduleak -69 202 , fue una supergigante azul con una luminosidad de 2-5 × 1038 erg/s. [14] Se han detectadolas líneas de rayos gamma de 847 keV y 1238 keV de la desintegración del 56Co . [14]
Durante su programa Observatorio Astronómico 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 transportaba cuatro instrumentos importantes que han mejorado enormemente la resolución espacial y temporal de las observaciones de rayos gamma. El CGRO proporcionó grandes cantidades de datos que se están utilizando para mejorar nuestra comprensión de los procesos de alta energía en nuestro Universo. El CGRO fue desorbitado en junio de 2000 como resultado de la falla de uno de sus giroscopios estabilizadores .
BeppoSAX se lanzó en 1996 y salió de órbita en 2003. Estudió principalmente rayos X, pero también observó estallidos de rayos gamma. Al identificar los primeros rayos no gamma equivalentes a los estallidos de rayos gamma, abrió el camino para la determinación precisa de su posición y la observación óptica de sus restos en galaxias distantes.
El High Energy Transient Explorer 2 (HETE-2) fue lanzado en octubre de 2000 (en una misión nominal de 2 años) y todavía estaba operativo (pero en decadencia) 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 estallidos de rayos gamma. Después de BeppoSAX y HETE-2, ha observado numerosas contrapartes ópticas y de rayos X de los estallidos, lo que ha llevado a determinaciones de distancia y un seguimiento óptico detallado. Estos han establecido que la mayoría de los estallidos se originan en las explosiones de estrellas masivas ( supernovas e hipernovas ) en galaxias distantes. A partir de 2021, Swift sigue operativo. [16]
Actualmente, los otros principales observatorios de rayos gamma basados en el espacio 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 dos gigantescas burbujas de rayos gamma, de unos 25.000 años luz de diámetro, en el corazón de la Vía Láctea . Se sospecha que estas burbujas de radiación de alta energía provienen de un agujero negro masivo o son evidencia de un estallido de formaciones estelares de hace millones de años. Fueron descubiertas después de que los científicos filtraran la "niebla de rayos gamma de fondo que inunda el cielo". Este descubrimiento confirmó pistas previas de que una gran "estructura" desconocida se encontraba en el centro de la Vía Láctea. [17]
En 2011, el equipo de Fermi publicó su segundo catálogo de fuentes de rayos gamma detectadas por el Large Area Telescope (LAT) del satélite, que produjo un inventario de 1.873 objetos que brillan 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 , cuyos 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. [15]
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 la fecha de fuentes de rayos gamma de alta energía en el espacio. [18]
En un comunicado de prensa del 18 de mayo de 2021, el Observatorio de Lluvias de Aire a Gran Altitud de China (LHAASO) informó sobre la detección de una docena de rayos gamma de energía ultraalta con energías superiores a 1 petaelectronvoltio (cuatrillón de electronvoltios o PeV), incluido uno de 1,4 PeV, el fotón de mayor energía jamás observado. Los autores del informe han denominado PeVatrones a las fuentes de estos rayos gamma PeV. [ cita requerida ]
Los astrónomos que utilizan el telescopio Gemini Sur, ubicado en Chile, observaron el destello de un estallido de rayos gamma identificado como GRB221009A , el 14 de octubre de 2022. Los estallidos de rayos gamma son los destellos de luz más energéticos que se conocen en el universo. Los científicos de la NASA estimaron que el estallido ocurrió en un punto a 2.400 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 Sagitta . Se ha estimado que el estallido liberó hasta 18 teraelectronvoltios de energía, o incluso un posible TeV de 251. Parecía que GRB221009A era un estallido de rayos gamma prolongado, posiblemente desencadenado por una explosión de supernova. [19] [20]
