Once años del observatorio HAWC

Por Alberto Carramiñana Alonso, Investigador del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) alberto@inaoep.mx

Palabras clave: observatorio; rayos cósmicos; rayos gamma

El observatorio de rayos gamma y rayos cósmicos HAWC es una instalación científica ubicada en México con relevancia a nivel internacional. Fue inaugurado hace once años, el viernes 20 de marzo de 2015, día del equinoccio de primavera, el cual aconteció en misma fecha y mismo día de la semana este año. Han pasado 4018 días entre ambos equinoccios, periodo en el cual HAWC logró operar el 93.6% del tiempo. Pero el esfuerzo de la colaboración internacional HAWC ha sido más prolongado. La operación del observatorio fue antecedida por su instalación, entre 2011 y 2014, antecedida a su vez por cinco años de gestión para obtener el financiamiento que recibió el proyecto de manera conjunta por el CONACYT, hoy SECIHTI, en México, y por la National Science Foundation y el departamento de energía, en Estados Unidos. La gestión, instalación y operación del observatorio representa un esfuerzo de veinte años por parte de unos doscientos científicos repartidos en alrededor de treinta instituciones, principalmente en México y Estados Unidos, con colaboración minoritaria en Europa, Asia y Costa Rica. Pero, ¿qué hace este observatorio y cuál es el interés en su operación?

HAWC, acrónimo de High Altitude Water Cherenkov, es un arreglo de detectores de tipo Cherenkov de agua diseñado para registrar continuamente rayos cósmicos y rayos gamma, instalado en la base del Volcán Sierra Negra, a 4100m de altitud, dentro del Parque Nacional Pico de Orizaba. El arreglo está formado por trescientos tanques detectores de 7.2 metros de diámetro y cinco de altura, cada uno almacenando 180 mil litros de agua pura en condiciones de total obscuridad. El arreglo ocupa alrededor de 22,000 metros cuadrados, equivalente a un cuadrado de 150 metros de lado. Entre 2017 y 2018 se instaló a su alrededor un arreglo secundario de tanques más pequeños, de 2500 litros de agua, con un sólo tubo fotomultiplicador cada uno, ampliando el área de detección a unos 100,000 metros cuadrados.

Figura 1: vista del observatorio de rayos gamma HAWC desde la ladera Sur del Pico de Orizaba. Además del arreglo principal de HAWC, rodeado por el arreglo periférico de tanques más pequeños, se puede apreciar el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano en la cima del Volcán Sierra Negra. Imagen Alberto Carramiñana

El funcionamiento del observatorio depende de la interacción de partículas (rayos cósmicos) y fotones (rayos gamma) de muy alta energía con la atmósfera. Los rayos cósmicos, principalmente protones y núcleos de helio, interactúan con moléculas de aire a unos 20 kilómetros de altura, generando decenas de partículas sub-atómicas que a su vez generan más particulas, en un proceso multiplicativo. Por otra parte, fotones de alta energía crean pares electrón-positrón, que a su vez generan más fotones. Como resultado, una cascada originada por un rayo cósmico o un rayo gamma primario con una energía de 1 TeV (un Tera-electrón-Volt) puede dar lugar a la producción de 10,000 o 20,000 partículas secundarias en la atmósfera. Algunas de las partículas secundarias entran en los detectores de HAWC emiten luz Cherenkov en el agua, la cuál es registrada por cuatro tubos fotomultiplicadores instalados en la base de cada tanque. Uno de los aspectos críticos de este tipo de experimentos es la rapidez con la que debe funcionar la adquisición de datos: las llegadas de las partículas secundarias en HAWC son eventos que duran menos de un tercio de micro-segundo, y ocurren a razón de 30,000 eventos por segundos. Dado que cada evento debe traer la información de 1200 canales, correspondiente al mismo número de tubos fotomultiplicadores, tanto el sistema de control y registro de la electrónica, como el sistema de almacenamiento de datos debe funcionar de manera extremadamente rápida. Por lo mismo, el observatorio HAWC adquiere más de dos terabytes de datos cada día, los cuales son enviados al centro de datos del Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM y copiados de ahí a la Universidad de Maryland.

Figura 2: vista esquemática del funcionamiento de uno de los detectores individuales de HAWC. Una partícula de alta energía, representada por la línea roja, pasa por el agua del tanque y emite luz Cherenkov, representada por las líneas verdes, la cual es captada por los tubos fotomultiplicadores en la base del tanque. La sombra de una figura humana ilustra la escala del detector. Imagen Alberto Carramiñana

En estos once años de operación HAWC ha estudiado alrededor de un centenar de fuentes celestes de rayos gamma de muy alta energía, objetos que funcionan como aceleradores de partículas en entornos astrofísicos. La mayoría de los objetos detectados están dentro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, y se pueden asociar con la formación y destrucción de estrellas de alta masa, las cuales se manifiestan durante unos miles de años como remanentes de supernova en expansión. Esta expansión se frena eventualmente, dando lugar a gigantescos halos de electrones y positrones de alta energía. Las explosiones de supernova también generan estrellas de neutrones, que vienen siendo el núcleo de la estrella que explotó. Estas estrellas, de dimensiones muy compactas, tienen campos magnéticos muy intensos y rotan muy rápidamente, lo que las convierte en grandes aceleradores de partículas. Más allá de nuestra galaxia, HAWC ha detectado media docena de galaxias activas, en cuyos centros residen hoyos negros con masas de alrededor de mil millones de veces la del Sol. Estos descubrimientos, y varios más, han dado lugar a un centenar de artículos de investigación en revistas de prestigio internacional, así como a decenas de tesis de posgrado en México, Estados Unidos y otros países. Han sido más de once años de trabajo intenso y esperamos que sean varios más.

Figura 3: mapa del 70% de la bóveda celeste vista en rayos gamma de muy alta energía elaborado con los datos del observatorio HAWC. El mapa, presentado este mismo año, corresponde con el cuarto catálogo de HAWC. Imagen Alberto Carramiñana

Sobre el autor:

Alberto Carramiñana Alonso, es investigador titular del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica desde hace más de treinta años, el cual dirigió entre 2011 y 2016. Se especializa en astrofísica de altas energías, siendo miembro fundador de la colaboración HAWC. Es autor de más de cien artículos de investigación, la mayoría producto del observatorio, y es investigador nacional de nivel III.

Contacto: alberto@inaoep.mx

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