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Dic 10 2011

Fundamentos de astronomía de rayos gamma

[Este post participa en la edición 26 del Carnaval de la Física que este mes organiza Cuentos Cuánticos]

Introducción

En el mes de Septiembre publique un artículo donde mostraba una forma de observar el Universo muy diferente a la que habitualmente se conoce. En aquella ocasión se presentaron los fundamentos de la radioastronomía. En esta ocasión presento otra forma de estudiar el universo: la astronomía de rayos gamma. La astronomía de rayos gamma es aquella en la que se observan fotones de rayos gamma. Estos fotones, de alta energía, se originan en fenómenos violentos tales como GRBs, explosiones de supernovas o chorros de partículas. Al igual que ocurrió con la radioastronomía, veremos que es una técnica radicalmente diferente a los clásicos telescopios ópticos.

Los rayos gamma

Los rayos gamma son un tipo de radiación electromagnética, por lo que está formada por fotones, pero en este caso, a diferencia de los que observamos en el visible, son de muy alta energía. Es tal la energía, que pueden penetrar la materia. Su longitud de onda típica es de 10^(-11) metros y se producen por la desexcitación de un nucleón en estado excitado a otro nivel de menor energía, aunque también se pueden generar a partir de una desintegración radiactiva (en tal caso es uno de los tipos de radiaciones radiactivas junto con la alfa y la beta). Otra característica importante es que no interaccionan con los campos magnéticos. La capacidad de penetración de los rayos gamma en la materia viene expresada mediante la siguiente fórmula:

       I(d) = I(0) exp (-md)
donde m es el coeficiente de absorción y d el grosor.

Sin embargo estas partículas son detenidas en la alta atmósfera terrestre, no llegando a la superficie. Sin embargo, cuando la energía de estos fotones supera el GeV puede causar una cascada de partículas, las cuales generan la conocida radiación Cherenkov.

Historia de la astronomía de rayos gamma

Debido a que los fotones de rayos gamma son detenidos por la alta atmósfera, las primeras observaciones se realizaron mediante globos sonda y cohetes, y posteriormente, por satélites artificiales. A continuación se presenta una breve cronología:
– 1948: Feenberg y Primakoff indican que puede haber un gran número de fenómenos que producen la emisión de rayos gamma.
– 1961: El satélite Explorer-XI se convierte en el primer telescopio de rayos gamma, aunque únicamente detecta poco más de 100 fotones.
– 1967: El satélite OSO III realiza la primera detección de rayos gamma procedentes de la Vía Láctea.
– 1972: El satélite SAS-2 establece la relación entre las emisiones de rayos gamma y la estructura galáctica.
– 1975: El satélite COS-B realiza dos grandes aportaciones: realiza un mapa de la Vía Láctea y descubre 25 nuevas fuentes.
– 1991: El Compton se convierte en el primer gran telescopio de rayos gamma.
– 1996: El satélite BeppoSAX tiene una resolución de 5′, lo que es una auténtica revolución en la astronomía de rayos gamma, y le permite estudiar remanentes de rayos gamma en galaxias distantes.
– 2002: El Integral tiene una resolución de 3′, mejorando la del BeppoSAX.
– 2010: El telescopio espacial Fermi descubre dos burbujas gigantes procedentes del centro de la Vía Láctea.

Detección de los rayos gamma

Hay tres formas de realizar la detección de estas energéticas partículas:
Efecto fotoeléctrico: El rayo gamma interactúa con un electrón transfiriéndole su energía. El electrón es expulsado del átomo. Es válido para fotones de energía inferior a 0,5 MeV.
Efecto Compton: El rayo gamma incide en un electrón, expulsándolo del átomo. La energía restante de transforma en una reemisión de una nuevo fotón de rayo gamma de baja energía, aunque en diferente dirección del fotón incidente. El rango de energías va de 100 KeV a 10 MeV (típicamente las que se dan en explosiones nucleares).
Creación de pares: La energía del fotón gamma, al estar próximo a un núcleo atómico y debido a su interacción con el campo eléctrico, crea un par electrón-positrón. posteriormente este par se combinan en la creación de dos fotones gamma de 0,51 MeV cada uno.

Telescopios espaciales de rayos gamma

Observan directamente los rayos gamma desde el espacio y se basan dos técnicas:
– Mediante el uso de espejos concéntricos que envían los rayos a un foco, desviando el rayo poco a poco: dado que los rayos gamma pueden penetrar la materia, la desviación de los rayos debe ser poco a poco y gradualmente
– Mediante detectores de partículas, en particular en la producción de pares electrón-positrón.
La mejor resolución viene dada por las más altas energías, ya que es más fácil la detección de los pares electrón-positrón, ya que su dirección es más próxima al rayo gamma original.

Uno de los telescopios espaciales de rayos gamma más conocidos es el Fermi, lanzado en Junio de 2008. Su principal instrumento es el Telescopio de Gran Superficie LAT, que estudia rayos gamma entre 100 MeV y 100 GeV y tiene un campo visual del 20% del cielo. En 2010 descubrió dos grandes burbujas procedentes del centro de la Vía Láctea.

Telescopios Cherenkov

Cuando las energías son muy altas, en la alta atmósfera se crea una cascada de partículas que dan origen a la conocida radiación Cherenkov. Se suele producción a unos 10 kilómetros por encima de la superficie terrestre y la cascada forma un cono de unos 2º y cubre un área en la superficie de 120 metros de radio. Esta radiación se caracteriza por ser débil, extensa y breve (en el orden de nanosegundos).

Esta radiación es uno de los modos de hacer astronomía de rayos gamma desde la superficie terrestre. Para ello se usan los llamados telescopios Cherenkov. El telescopio HESS está situado en Namibia y trabaja con energías de los 100 GeV. Consta de cuatro antenas de 13 metros cada una. En España tenemos el MAGIC, situado en La Palma. Se trata de un telescopio Cherenkov de 17 metros y formado de 1000 espejos. Una característica de este instrumento es la posibilidad de focalizar los espejos a distancias entre 5 y 40 kilómetros. Cara al futuro está previsto la puesta en marcha del Cherenkov Telescope Array (CTA), formado por 50 telescopios y que mejoraría en un factor 5 la resolución actual.

[Este post participa en la edición 26 del Carnaval de la Física que este mes organiza Cuentos Cuánticos]

4 comentarios

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  1. Caro- chan

    Me ha encantado, una exposicion muy clara!

  2. Francisco Sevilla

    Muchas gracias.
    Saludos,
    Fran

  3. Anónimo

    Uno los campos mas prometedores de la fisica. Muy bonito el articulo. Hay algo que hace que el movimiento por la pagina tenga una respuesta mas lenta que lo normal.
    Tom Wood
    tomwoodgonzalez@hotmail.com

  4. Francisco Sevilla

    Hola Tom,

    Muchas gracias por tus comentarios. Efectivamente la astronomía moderna no se limita al visible, y cada vez conocemos mejor nuestro Universo. Efectivamente, a veces la carga es algo lenta y se debe a algunos elementos que ralentizan la carga. Siento las molestias que os pueda ocasionar. Revisaré para mejorar la velocidad de carga.

    Un saludo,

    Fran

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