El Observatorio Cherenkov de Agua a Gran Altitud o High Altitude Water Cherenkov Experiment (también conocido como HAWC ) es un observatorio de rayos gamma y rayos cósmicos ubicado en las laderas del volcán Sierra Negra en el estado mexicano de Puebla a una altitud de 4100 metros, a 18°59′41″N 97°18′30.6″O / 18.99472, -97.308500 . HAWC es el sucesor del observatorio de rayos gamma Milagro en Nuevo México , que también era un observatorio de rayos gamma basado en el principio de detectar rayos gamma indirectamente utilizando el método Cherenkov de agua .
HAWC es una colaboración conjunta entre un gran número de universidades e instituciones científicas estadounidenses y mexicanas , entre las que se incluyen la Universidad de Maryland , la Universidad Nacional Autónoma de México , el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica , el Laboratorio Nacional de Los Álamos , el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA , la Universidad de California en Santa Cruz , la Universidad Tecnológica de Míchigan , la Universidad Estatal de Míchigan , la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla , la Universidad de Guadalajara , la Universidad de Utah , la Universidad de Nuevo México , la Universidad de Wisconsin-Madison y el Instituto Tecnológico de Georgia . [1]
El Observatorio de Rayos Gamma HAWC es un telescopio de rayos gamma de TeV de amplio campo de visión y funcionamiento continuo que explora el origen de los rayos cósmicos , estudia la aceleración de partículas en entornos físicos extremos y busca nueva física de TeV. HAWC fue construido a una altitud de 4100 m sobre el nivel del mar en México por una colaboración de 15 instituciones estadounidenses y 12 mexicanas, y es operado con fondos de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos , el Departamento de Energía de Estados Unidos y CONACyT (la agencia de financiamiento científico de México). HAWC se completó en la primavera de 2015 y consta de un conjunto de 300 detectores de agua Cherenkov . Está diseñado para ser más de un orden de magnitud más sensible que su predecesor, Milagro. [ cita requerida ]
HAWC monitorea el cielo del norte y realiza observaciones coincidentes con otros observatorios de amplio campo de visión. HAWC trabaja con otros observatorios, como VERITAS , HESS , MAGIC , IceCube y, más tarde, CTA , para poder realizar observaciones superpuestas de múltiples longitudes de onda y múltiples mensajeros, y para maximizar las observaciones coincidentes con el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi (Fermi) .
HAWC tiene la capacidad de detectar un gran conjunto de fuentes de rayos gamma, midiendo sus espectros y variabilidad para caracterizar los mecanismos de aceleración a escala de TeV. En un estudio de un año, HAWC puede realizar un estudio profundo e imparcial de los rayos gamma de TeV con una sensibilidad de 50 mCrab a 5 σ . HAWC observará fuentes galácticas de espectro duro (altas energías de fotones) en el TeV con una sensibilidad similar a la de Fermi en el GeV, detectará emisiones difusas de regiones del plano galáctico , tendrá sensibilidad para ver núcleos galácticos activos conocidos de TeV y los estallidos de rayos gamma de GeV más brillantes conocidos , y representa un paso lo suficientemente grande en sensibilidad para probablemente descubrir nuevos fenómenos. Debido a que HAWC tiene un campo de visión instantáneo de 2 estereorradianes , observará la emisión difusa de rayos gamma desde el plano de la galaxia en un amplio rango de longitudes galácticas que llegan hasta el centro galáctico . [ cita requerida ]
En septiembre de 2015, se otorgó una subvención de investigación y desarrollo dirigida por el laboratorio a Brenda Dingus , del Laboratorio Nacional de Los Álamos, para mejorar el área efectiva y la sensibilidad del HAWC mediante la adición de un conjunto de tanques estabilizadores que rodean los tanques centrales más grandes. Debido al mayor tamaño de las lluvias de partículas creadas por los rayos cósmicos de alta energía, aumentar el área del detector aumentará la sensibilidad del mismo. Se predijo que los estabilizadores aumentarían la sensibilidad y el área efectiva del HAWC entre 2 y 4 veces para partículas con energías superiores a 10 TeV. El conjunto de estabilizadores se completó a principios de 2018, un año más tarde de lo esperado. [2]
HAWC detecta la radiación electromagnética de las lluvias de rayos cósmicos de alta energía que impactan la atmósfera terrestre. HAWC es sensible a las lluvias de rayos cósmicos primarios con energías entre 100 GeV y 50 TeV.
La radiación de Cherenkov se produce cuando partículas cargadas viajan a través de un medio a una velocidad mayor que la de la luz en ese medio. Los rayos gamma de alta energía, al impactar en la atmósfera superior, pueden crear pares positrones - electrones que se mueven a gran velocidad. El efecto residual de estas partículas que viajan a través de la atmósfera puede resultar en una cascada de partículas y fotones que se dirigen hacia la superficie en ángulos predecibles. [ cita requerida ]
HAWC consta de grandes tanques de metal, de 7,3 m de ancho por 5 m de alto, que contienen una vejiga hermética a la luz con capacidad para 188.000 litros de agua. En el interior hay cuatro tubos fotomultiplicadores (QE de 3-8" y 1-10" de alto). Las partículas de alta energía que inciden en el agua dan lugar a la luz Cherenkov, que es detectada por los tubos fotomultiplicadores. HAWC utiliza la diferencia en los tiempos de llegada de la luz a diferentes tanques para medir la dirección de la partícula primaria. El patrón de luz permite distinguir entre los rayos primarios ( hadrones ) y los rayos gamma. A partir de esto, los científicos pueden cartografiar el cielo utilizando rayos gamma.
HAWC se encargará de:
El origen de la radiación cósmica ha sido un misterio desde su descubrimiento por Victor Hess en 1912. El espectro de energía de los rayos cósmicos se extiende desde unos pocos GeV hasta más de 10 20 eV. Hasta ahora no hay pruebas experimentales de la transición de los rayos cósmicos galácticos a los extragalácticos, aunque se cree que los rayos cósmicos por debajo de unos 10 17,5 eV son de origen galáctico. Si bien existe un consenso sobre que las explosiones de supernovas (SN) aceleran los rayos cósmicos hasta energías de ~10 15 eV, ha sido difícil obtener evidencia experimental. Los argumentos teóricos se basan en que la energía liberada en las SN es suficiente para mantener los rayos cósmicos observados en la Galaxia, y la creación de fuertes choques por parte de las SN permite la aceleración de Fermi de primer orden. Por lo tanto, las tareas para futuros experimentos son confirmar que las supernovas son lugares de aceleración de rayos cósmicos hadrónicos hasta la rodilla, y determinar las fuentes de los rayos cósmicos galácticos por encima de 10 15 eV.
La radiación gamma difusa de nuestra galaxia también permite investigar el origen de los rayos cósmicos. Esta radiación se debe a la interacción de los rayos cósmicos hadrónicos con el gas interestelar y a la posterior desintegración de piones neutros, así como a la interacción de los electrones de alta energía con el gas y los campos de radiación (radio, microondas, infrarrojos, ópticos, ultravioleta y magnéticos). Si se conoce la distribución de la materia y la radiación mediante otras mediciones, el conocimiento de la emisión difusa permite medir el flujo y el espectro de rayos cósmicos en toda la galaxia. Esta información se puede utilizar para determinar las regiones dentro de la galaxia en las que se ha producido recientemente una aceleración de partículas.
Se han detectado más de 20 núcleos galácticos activos (AGN) en rayos gamma de muy alta energía (VHE), y se han observado llamaradas extremas de hasta 50 veces el flujo quiescente. Los rayos gamma se producen a través de interacciones de los electrones y/o protones de alta energía con fotones de menor energía. Existen varios modelos para explicar la fuente de los fotones, incluidos: emisión de sincrotrón por la misma población de electrones; radiación del disco de acreción ; y fotones del fondo cósmico de microondas . Se requieren observaciones simultáneas utilizando múltiples longitudes de onda y enfoques de múltiples mensajeros para distinguir entre estos modelos. El monitoreo en energías VHE es un mecanismo eficiente para iniciar tales observaciones porque los rayos gamma de mayor energía exhiben la variabilidad más extrema y sondean las partículas de mayor energía. HAWC tendrá la sensibilidad para detectar llamaradas fuertes, como las que se han observado desde Markarian 421 , a más de 10σ en menos de 30 minutos.
El satélite Fermi ha observado ahora tanto estallidos de rayos gamma largos como cortos que emiten rayos gamma de varios GeV. No se observa ningún corte de alta energía en ninguno de estos GRB, y el rayo gamma de mayor energía observado en los tres estallidos más brillantes se emitió (es decir, corregido para el corrimiento al rojo observado ) a energías de 70, 60, 94 y 61 GeV en los GRB 080916C, 090510, 090902B y 090926 respectivamente. Los rayos gamma de mayor energía requieren un factor de Lorentz en masa del flujo de salida de casi 1000 para que las energías del marco de reposo y las densidades de fotones sean lo suficientemente bajas para evitar la atenuación por interacciones de producción de pares. Las observaciones de Fermi-LAT muestran que la emisión de GeV más intensa ocurre rápidamente y también se extiende más que la emisión a energías más bajas. Se requiere un observatorio con un amplio campo de visión y un alto factor de trabajo, como el HAWC, para observar esta emisión inmediata y determinar su extensión a altas energías, especialmente para una ráfaga como la de 090510, en la que la emisión inmediata tuvo una duración de menos de medio segundo.
HAWC tiene la sensibilidad necesaria para continuar estas observaciones en el rango VHE. El área efectiva de HAWC a 100 GeV (~100 m 2 ) es más de 100 veces la del Fermi-LAT. [ cita requerida ]
HAWC es un detector muy sensible para los rayos cósmicos de TeV. La gran cantidad de rayos cósmicos detectados con HAWC forma un fondo indeseable en la búsqueda de fuentes de rayos gamma, pero también permite mediciones precisas de pequeñas desviaciones de la isotropía en el flujo de rayos cósmicos. En los últimos años, los detectores de rayos cósmicos en el hemisferio norte y sur han encontrado anisotropía en la distribución de la dirección de llegada de los rayos cósmicos de TeV a nivel de por mil. Dado que esperamos que las direcciones de llegada de partículas cargadas a estas energías estén completamente alteradas por los campos magnéticos galácticos, estas desviaciones son sorprendentes e implican que no se comprende la propagación de los rayos cósmicos desde sus fuentes hasta nosotros. El mapeo de la distribución de la dirección de llegada de los rayos cósmicos para estudiar la anisotropía con mayor sensibilidad es un objetivo científico importante para HAWC.
Las observaciones astrofísicas de alta energía tienen el potencial único de explorar la física fundamental. Sin embargo, derivar la física fundamental a partir de las observaciones astrofísicas es complejo y requiere una comprensión profunda de las fuentes astrofísicas. Se debe comprender el trasfondo astrofísico para determinar las desviaciones de este trasfondo debido a la nueva física. En algunos casos, los astrónomos pueden ayudar a comprender el trasfondo astrofísico, como usar supernovas como velas estándar para medir la energía oscura. Sin embargo, los físicos de alta energía tendrán que detectar y explicar los fenómenos astrofísicos de alta energía para derivar la física fundamental. El estudio profundo HAWC del cielo de rayos gamma de TeV proporcionará una imagen imparcial necesaria para caracterizar las propiedades de las fuentes astrofísicas con el fin de buscar nuevos efectos de la física fundamental. Algunos ejemplos de investigaciones HAWC incluyen: [ cita requerida ]
La construcción y operación de HAWC está financiada conjuntamente por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. , la Oficina de Física de Altas Energías del Departamento de Energía de EE. UU. y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) en México y el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD) del Laboratorio Nacional de Los Álamos.
Otras fuentes importantes de financiación son:
En 2017, HAWC anunció la primera medición del espectro de rayos cósmicos, [3] y nuevos resultados sobre el exceso de antimateria de positrones observado . [4]
En 2023, HAWC informó la primera detección de rayos gamma en energías TeV provenientes del Sol, producidos por la interacción de los rayos cósmicos con el gas de la atmósfera solar. [5] [6]
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