La astronomía es una de las ciencias más antiguas. A lo largo de nuestra historia, el ser humano ha tenido la necesidad de mirar al cielo y buscar respuestas a enigmas inalcanzables aquí en la Tierra. Es una necesidad que, afortunadamente, nunca se agota: avanzamos en nuestro entendimiento del cosmos y la física que hay detrás, crecemos así científica y socialmente, pero no dejamos nunca de buscar nuevas respuestas. Ahora, en una nueva era tecnológica, seguimos avanzando a través de la observación de lo invisible, los rayos gamma, y de los eventos más energéticos y exóticos.

¿Qué sucede en los chorros de partículas emitidos en la vecindad de un agujero negro supermasivo? ¿Cuál es la naturaleza de la materia oscura? ¿Cómo se aceleran las partículas a sus energías más altas? Para dar respuesta a estas y otras preguntas, estamos preparando el primer observatorio terrestre de rayos gamma del planeta: el Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO).
 

El CTAO, llamado a liderar la astrofísica de altas energías durante las próximas décadas, será el instrumento más grande y sensible para la detección de rayos gamma en un rango energético sin precedentes, desde los veinte gigaelectronvoltios (GeV) hasta los trescientos teraelectronvoltios (TeV), lo que permitirá observar los objetos más lejanos y los aceleradores más extremos del universo. El CTAO estudiará todo el cielo de rayos gamma con más de sesenta telescopios situados en dos emplazamientos: un conjunto de telescopios ubicado en el hemisferio norte (CTAO-Norte) en el Observatorio del Roque de los Muchachos del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) en La Palma, España, y otro en el hemisferio sur (CTAO-Sur) cerca del Observatorio de Paranal del Observatorio Europeo Austral (ESO) en Atacama, Chile. Además, cuenta con la sede central en un edificio de INAF en Bolonia (Italia) y el Centro de Gestión de Datos Científicos, actualmente en construcción en el campus de DESY en Zeuthen (Alemania), donde trabaja el equipo de computación con el objetivo de proporcionar productos científicos, herramientas y apoyo a los futuros usuarios de los datos del Observatorio.

En la actualidad, el CTAO está sumergido en una transición de entidad legal: en los próximos meses, pasará del actual CTAO gGmbH (bajo las leyes alemanas), a cargo del diseño e implementación del Observatorio, al CTAO ERIC (Consorcio Europeo de Infraestructuras de Investigación, por sus siglas en inglés), responsable de la construcción y operación del Observatorio. Y es que la creación de la entidad legal final es un hito fundamental en los más de treinta años de vida que tendrá el CTAO. El inicio del CTAO ERIC permite poner fin a la Fase de Diseño e iniciar la Construcción y Operación de este esperado Observatorio.

INNOVACIÓN TECNOLÓGICA

Pero adentrémonos en la innovadora tecnología que usará CTAO para explorar el universo a altas energías y los descubrimientos científicos que esperamos. Para observar el cielo, CTAO emplea los llamados telescopios cherenkov, que detectan los rayos gamma de manera indirecta: a su llegada a la Tierra, los rayos gamma interactúan con la atmósfera terrestre produciendo un par electrón/positrón. Estas partículas cargadas, a su vez, pueden dar lugar a fotones de más baja energía que derivan en otro par de partículas, que producen más fotones, que crean más partículas, y así sucesivamente. Es la llamada cascada de partículas o cascada electromagnética, cuyo desarrollo cesa al llegar a una determinada energía crítica.

Estas partículas cargadas son increíblemente energéticas y se mueven más rápido que la luz en el aire de la atmósfera: nada es más rápido que la luz en el vacío, pero en un medio (como el aire) la luz se ralentiza, de manera que estas partículas pueden superar su velocidad. Al hacerlo, se emite una luz azulada/ultravioleta extremadamente rápida denominada luz cherenkov, en honor a su descubridor, el físico ruso Pavel A. Cherenkov. A pesar de ser azulada, no podemos verla con nuestros ojos porque dura apenas tres nanosegundos, con lo que necesitamos telescopios con cámaras extraordinariamente rápidas que capturen este destello, como los telescopios cherenkov del CTAO. Estos reflejan la luz cherenkov en sus superficies de espejo hacia las cámaras, compuestas por cientos o miles de detectores (tubos fotomultiplicadores o fotomultiplicadores de silicio) capaces de capturar mil millones de imágenes por segundo y que transforman la luz en señales eléctricas para su posterior análisis.

La huella que deja la luz cherenkov proveniente de una cascada electromagnética sobre las cámaras tiene una característica forma de elipse, la cual se parametriza para obtener información sobre el rayo gamma primario, como su energía o su dirección en el cielo. Cuantos más telescopios, más información precisa –por ejemplo, se puede mejorar la posición de llegada estimada del rayo gamma o el rechazo a eventos no iniciados por rayos gamma que no interesan para el análisis–.

A diferencia de los instrumentos de rayos gamma de detección directa, como los satélites, cuya área de detección es muy limitada (alrededor de un metro cuadrado), la luz cherenkov producida por las cascadas de partículas se extiende en el suelo aproximadamente en un círculo de unos ciento veinte metros de radio. A partir de las decenas de gigaelectronvoltios (GeV), el flujo de rayos gamma comienza a ser bajo, con lo que el estudio de muy altas energías está dominado por la técnica cherenkov, cuya sensibilidad a partir de este rango energético es superior gracias a su mayor área de detección. Con amplios conjuntos de telescopios en ambos emplazamientos, un mejorado hardware y software que perfeccionarán, por ejemplo, la observación de fuentes transitorias y la discriminación de eventos de fondo, CTAO mejorará hasta en diez veces la sensibilidad a rayos gamma, además de aumentar la resolución angular y energética, con respecto a cualquier otro instrumento de detección directa o indirecta actualmente operativo. Esto abre una nueva ventana en el rango superior del espectro electromagnético, permitiendo expandir extraordinariamente el catálogo de objetos cósmicos conocidos con hasta mil fuentes nuevas de rayos gamma.

Pero para cubrir su excepcional rango energético (20 GeV – 300 TeV), CTAO necesitará tres clases de telescopios: los Large- Sized Telescopes (LSTs), los Medium-Sized Telescopes (MSTs) y los Small-Sized Telescopes (SSTs). Los LSTs están optimizados para el rango bajo de energía de CTAO (desde los 20 GeV hasta los 150 GeV). Los rayos gamma de más baja energía producen poca luz cherenkov, por lo que se necesitan telescopios con grandes superficies de espejos capaces de reflejar toda la luz hacia la cámara. Por ello, los LSTs están formados por 198 espejos, creando una superficie reflectante de veintitrés metros de diámetro y cuatrocientos metros cuadrados. Para el rango intermedio (entre 150 GeV y 5 TeV), CTAO contará con los MSTs, cuyo espejo segmentado tiene un diámetro de doce metros cuadrados y un amplio campo de visión de ocho grados que permite rápidos barridos del cielo. Finalmente, con un diámetro de cuatro metros cuadrados y un diseño de doble espejo, tenemos los SSTs, optimizados para capturar las energías más altas (de 5 a 300 TeV). A pesar de que los rayos gamma más energéticos producen gran cantidad de luz cherenkov, su flujo es mucho menor, por lo que se necesita un gran número de SSTs distribuidos a lo largo de varios kilómetros cuadrados para evitar perdernos estos eventos. Para su primera fase de construcción, la llamada Configuración Alfa, CTAO contará con cuatro LSTs y nueve MSTs a lo largo de unos 0.25 kilómetros cuadrados en CTAO-Norte (centrado pues en física extragaláctica) y con catorce MSTs y treinta y siete SSTs distribuidos en una superficie de unos tres kilómetros cuadrados en CTAO-Sur (optimizado para física galáctica).

Existen prototipos funcionales de todos los telescopios, pero solo uno de ellos está instalado en un emplazamiento del CTAO: el prototipo del LST, el LST-1, situado en CTAO-Norte. Este enorme telescopio de veintitrés metros de diámetro mide cuarenta y cinco metros de alto y pesa alrededor de cien toneladas. Sin embargo, es extremada- mente ágil, con la capacidad de reposicionarse en solo veinte segundos para capturar breves señales de rayos gamma de baja energía. Su rápido reposicionamiento, así como su baja energía umbral, hacen del LST un telescopio clave para CTAO en el estudio de fuentes transitorias dentro y fuera de nuestra Galaxia, como los escurridizos brotes de rayos gamma. El LST-1 se inauguró en octubre del 2018 y ha avanzado rápidamente desde entonces en su puesta en marcha: captó su “primera luz” en diciembre de ese año, detectó su primera señal de rayos gamma procedente de la Nebulosa del Cangrejo en noviembre del 2019 y capturó, en un tiempo récord, el Púlsar del Cangrejo en junio del 2020. Además, es el primer elemento en superar la denominada Revisión Crítica de Diseño, lo cual lo acerca a su aceptación formal como primer telescopio del CTAO.

La Colaboración del LST está formada por más de doscientos científicos de once países, incluyendo España –país que no solo alberga el emplazamiento CTAO-Norte, sino que juega un papel fundamental en el desarrollo de hardware y software para los telescopios–. Entre los grupos más destacados dentro del LST está precisamente el IAA-CSIC, miembro desde el 2019, que contribuye fuertemente tanto en la parte técnica como científica. Desde el instituto, Rubén López-Coto participa activamente en el desarrollo de este telescopio como miembro del Comité Ejecutivo del LST, Co-Coordinador de Software y Coordinador de Física Galáctica. Además, es miembro del Comité de Física y Asignación de Tiempo de la colaboración. Asimismo, en las próximas semanas y meses, saldrán a la luz los primeros artículos científicos desarrollados a partir de las primeras observaciones del LST-1, y ahí el IAA-CSIC estará también muy presente: los investigadores Iván Agudo, Rubén López-Coto y Juan Escudero contribuyen activamente o lideran estas publicaciones científicas.

CIENCIA CON CTAO

Pero, ¿de qué ciencia estamos hablando? ¿Qué nos depararán las observaciones a altas energías con los telescopios del CTAO?

El futuro de la astrofísica de rayos gamma desde tierra es muy emocionante, y es que esta rama de la astronomía es realmente joven: la primera fuente detectada a energías de TeV con esta técnica fue la famosa Nebulosa del Cangrejo por el Telescopio Whipple en 1989, hace apenas treinta y cuatro años. Desde entonces, este campo se ha desarrollado rápidamente y diferentes telescopios cherenkov, como H.E.S.S. (Namibia), MAGIC (La Palma) o VERITAS (Arizona), han demostrado la viabilidad de la técnica logrando grandes avances científicos y descubriendo en torno a doscientas fuentes emisoras de rayos gamma.

Su éxito ha resultado en un rápido crecimiento del interés por parte de la comunidad científica, pero, con tan pocos años de vida, este campo de la astronomía tiene por delante un enorme potencial e impacto científico y tecnológico.

Entre los grandes temas de estudio que abarcará CTAO se encuentran:

1. Comprender el origen de las partículas cósmicas relativistas y el papel que juegan: es imposible conocer el origen de los rayos cósmicos (partículas energéticas cargadas eléctricamente, como protones, núcleos de helio o electrones) a través de su observación directa, puesto que en su camino hacia la Tierra deben atravesar campos magnéticos interestelares e intergalácticos que los desvían. Su origen es rastreado a través de los rayos gamma que emiten cuando interactúan con materia o radiación en sus fuentes origen. Así, gracias a los rayos gamma, podemos abordar preguntas tales como: ¿Dónde y a través de qué mecanismos físicos se aceleran las partículas de más alta energía en el cosmos? ¿Qué efecto tiene su interacción en el universo? ¿Afectan a la formación de estrellas y a la evolución de galaxias?

2. Investigar los ambientes más extremos: CTAO estudiará los procesos físicos que suceden cerca de estrellas de neutrones o de agujeros negros, así como los chorros de partículas moviéndose a velocidades relativistas, vientos y explosiones que se producen en su vecindad, para entender cómo se producen estas estructuras y los sitios de emisión dentro de ellas. CTAO será también capaz de investigar los campos magnéticos y la radiación, así como su evolución, entre los llamados vacíos cósmicos, el vasto espacio existente entre las estructuras filamentosas que producen las galaxias y cúmulos de galaxias a grandes escalas.

3. Explorar las fronteras de la física fundamental: Una de las grandes incógnitas de la ciencia que CTAO intentará dilucidar es la naturaleza de la materia oscura. Basándose en las teorías actuales más predominantes, CTAO investigará las zonas del universo donde se espera mayor distribución de materia oscura con el objetivo de captar los rayos gamma que se emiten cuando las partículas de materia oscura se aniquilan. Asimismo, estudiará desviaciones de la teoría de la relatividad especial de Einstein investigando fenómenos que afectan a la propagación de la luz a distancias cosmológicas, tales como efectos gravitacionales cuánticos que dan lugar a pequeñas variaciones en la velocidad según su energía.

Así pues, los datos de CTAO son realmente prometedores y, lo más importante, serán accesibles para todo el mundo. El CTAO será el primero de su tipo abierto a las comunidades globales de astronomía y física de partículas como una fuente de datos astronómicos de altas energías. Con cientos de petabytes (PB) de datos en un año (tres PB de datos procesados), herramientas y apoyo a la comunidad mundial, las oportunidades de grandes descubrimientos están garantizadas.

Pero CTAO no sería posible sin la colaboración global de los más de mil quinientos miembros provenientes de ciento cincuenta institutos de veinticinco países que contribuyen con hardware y software o que colaboran en el desarrollo científico. Para esta última tarea, CTAO trabaja en estrecha colaboración con el Cherenkov Telescope Array Consortium (CTAC), grupo internacional de científicos e ingenieros que apoyan la definición del diseño de los diferentes instrumentos y el programa científico general.

En la actualidad, el IAA-CSIC es uno de los miembros españoles más importantes del CTAC, desde que se unió al consorcio en el 2014. La contribución del instituto es, por un lado, técnica a través del desarrollo de software, y por otro, científica y divulgativa. El IAA- CSIC es una de las instituciones españolas que lideran la contribución al desarrollo de Gammapy, el software de análisis de datos de alto nivel elegido oficialmente por CTAO en 2021 como herramienta de análisis científico para el Observatorio y que, en febrero del 2022, fue galardonado por el Ministerio de Educación Superior, Investigación e Innovación de Francia en los Premios de Ciencia Abierta para Software de Investigación.

Dentro de este proyecto, el instituto ha participado activamente tanto en el desarrollo de código como en el Comité Coordinador. Por la parte científica, el IAA-CSIC ha colaborado dentro del CTAC en la definición de los casos científicos recogidos en el libro Science with the Cherenkov Telescope Array publicado por la editorial World Scientific en el 2019. Asimismo, Iván Agudo y Rubén López- Coto son miembros del Comité Internacional de Divulgación del Proyecto CTA, liderado por Alba Fernández-Barral, visitante de larga duración del IAA-CSIC, y formado por sesenta investigadores e investigadoras que apoyan el programa divulgativo, educativo y comunicativo del CTAO a nivel global. Entre las actividades conjuntas entre los departamentos de comunicación del IAA-CSIC y del CTAO, cabe destacar la mesa redonda llevada a cabo el pasado año en el instituto y que reunió por primera vez en España a los responsables de CTAO, ESO y SKAO para hablar de la tecnología, ciencia y gobernanza de estas tres grandes infraestructuras.

En abril de este año, el grupo de rayos gamma del IAA-CSIC organizará la Reunión General del CTAO/CTAC en Granada, que acogerá a más de trescientas personas presencial y remotamente. El objetivo de la reunión, con sesiones paralelas y plenarias, es discutir los últimos avances hacia la construcción del Observatorio y la preparación de la ciencia. Una fecha clave para todos los miembros donde se esperan grandes noticias y novedades acerca del ERIC y que permitirá poner el foco en el IAA-CSIC, un instituto esencial en el desarrollo científico-tecnológico del mayor instrumento del mundo para la astrofísica de altas energías.

Está claro que las perspectivas para el CTAO combinan la garantía científica (una mayor comprensión de fuentes y mecanismos físicos actualmente conocidos) con la posibilidad de desvelar nuevos fenómenos y fuentes de rayos gamma, así como grandes descubrimientos, como la naturaleza de la materia oscura.

Y, por supuesto, ampliando y estudiando el espectro electromagnético con una precisión nunca antes alcanzada, no podemos descartar descubrimientos inesperados. El CTAO abre así las puertas a una época muy emocionante en la astronomía, donde el IAA-CSIC juega y jugará un papel clave.