P) En busca del universo extremo. El observatorio HAWC

A una altura de 4100 metros sobre el nivel del mar, en las laderas del volcán Sierra Negra, dentro del Parque Nacional Pico de Orizaba, en el estado de Puebla, México, se encuentra el observatorio High Altitude Water Cherenkov (HAWC), que destaca por su diseño sin antenas ni espejos. Se compone de un arreglo central y compacto de trescientos contenedores de doscientos mil litros de agua purificada y de un arreglo periférico de trescientos cuarenta y cinco contenedores de menor tamaño. Cada contenedor del arreglo central, de 7.3 metros de diámetro y 4.5 metros de alto, alberga en su base, con orientación hacia arriba, cuatro fotosensores capaces de convertir fotones de luz azulada en una corriente eléctrica. Los detectores del arreglo periférico tienen 1.65 metros de alto y 1.55 metros de diámetro y contienen un solo fotosensor. HAWC detecta las cascadas de partículas generadas por la interacción de los núcleos atómicos (llamados también rayos cósmicos) y fotones de muy alta energía (llamados también rayos gamma) con la atmósfera. Por cada cascada producida por un rayo gamma, existen otras diez mil generadas por rayos cósmicos, las cuales deben discriminarse para revelar el universo extremo.

Como un vigilante incansable, durante las veinticuatro horas del día, los trescientos sesenta y cinco días del año, HAWC busca identificar la emisión de rayos gama de los eventos más energéticos del Universo. En sus diez años de operación, HAWC ha tenido éxito: ha descubierto los halos de pulsares, objetos que emiten por encima de 1 peV , (conocidos como PeVatrones) en nuestra galaxia y ha observado, por primera vez en rayos gamma chorros de materia y radiación de microquasares y regiones de formación estelar masiva. Además, ha detectado en rayos gamma más de cien cuentas nuevas fuentes astrofísicas, muchas de ellas asociadas a pulsares, sus nebulosas y halos, y ha estudiado la emisión a las energías más altas jamás registradas en fuentes conocidas como núcleos activos de galaxia y el Sol, entre otras.

Una de las preguntas más interesantes que se intenta resolver observando el Universo en rayos gamma es en qué sitios y bajo qué circunstancias se producen y qué energías alcanzan las partículas más energéticas que detectamos en la Tierra. En 1911, el austriaco Victor Hess descubrió, mediante mediciones en globo, que la radiación ionizante aumentaba a mayor altitud, alejándose de la superficie terrestre, lo que llevó al descubrimiento de los rayos cósmicos. Hoy en día sabemos que constantemente llegan a la Tierra núcleos atómicos procedentes del Universo; algunos se generan durante la muerte de estrellas masivas y otros en el universo temprano. La energía que pueden alcanzar los rayos cósmicos más energéticos que conocemos es cien millones de veces mayor que la de las partículas artificialmente aceleradas en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Los rayos gamma pueden originarse a partir de la interacción de los rayos cósmicos con el medio que atraviesan en su camino a la Tierra o bien ser radiados por estos en presencia de campos magnéticos. Por ello, la energía del rayo cósmico debe ser al menos diez veces superior a la del rayo gamma observado. A los sitios astrofísicos que generan los rayos cósmicos más energéticos de la galaxia se les ha llamado PeVatrones. Durante mucho tiempo se pensó que las remanentes de supernova eran PeVatrones galácticos; hasta el momento no se ha encontrado evidencia contundente. Sin embargo, las observaciones de HAWC han postulado otros sitios astrofísicos como posibles PeVatrones galácticos. Uno de estos sitios es el centro de nuestra galaxia, desde donde HAWC observó los rayos gamma más energéticos jamás registrados.

Los halos de pulsar son un nuevo tipo de fuente astrofísica que se forma alrededor de pulsares de edad media. Los pulsares son estrellas de neutrones que surgen en la etapa final de la vida de estrellas con una masa equivalente a unas ocho veces la del Sol. Giran rápidamente y poseen un intenso campo magnético que rota con ellas, arrancando electrones de su superficie, los cuales se propagan y forman una nebulosa alrededor del pulsar. Al salir de la nebulosa se difunden libremente por el medio interestelar. Lo que HAWC ha descubierto es que, incluso después de abandonar la nebulosa, estos electrones pueden interactuar con fotones del fondo cósmico de microondas, transfiriéndoles su energía. La región en la que ocurre este fenómeno ha sido identificada por HAWC como un halo de emisión de rayos gamma.

Un grupo de ciento sesenta y cinco científicos y técnicos de diez instituciones estadounidenses, once mexicanas y tres europeas opera y explota científicamente los datos de HAWC. El grupo está liderado por la UNAM desde cuatro de sus institutos de investigación: el de Física, el de Astronomía, el de Ciencias Nucleares y el de Geofísica, además de contar con la participación del de Astrofísica, Óptica y Electrónica. Por la parte estadounidense el liderazgo recae en la Universidad de Maryland. El éxito de HAWC ha inspirado la construcción de la siguiente generación de arreglos superficiales, como el Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO) que se construirá en Chile.

---