Piense en el sol en un día de verano. Piense en toda esa energía. Ahora, piense en algo que emite tanta energía en un par de segundos, como nuestro sol generaría en todos sus 10 millardos de años de vida: así de poderosa es una explosión de rayos gamma.
Un destello cósmico que, durante un breve período de tiempo, es más luminoso que todo el resto del universo. Pero, exactamente qué es lo que sucede, y cómo, es uno de esos misterios aun por resolver.
Gracias a un poderoso telescopio espacial lanzado en junio de 2008, los científicos podrían estar acercándose a explicar al detalle estas explosiones que sólo se ven en la banda de más alta energía del espectro electromagnético. Telescopios con sensores para observar en todos los demás sectores del espectro (radio, microondas, infrarrojo, luz visible, ultravioleta y rayos x) están en el espacio desde hace años.
Desde que falleciera el Compton, que fue el equivalente en rayos gamma al Hubble en luz visible o al Chandra en rayos X, no teníamos un gran observatorio especializado en los fotones de más alta energía del universo. La respuesta de la NASA y sus institutos asociados en Francia, Alemania, Italia, Suecia y Japón, es el GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), un sofisticado aparato de 690 millones de dólares, que hace poco fue rebautizado como Fermi.
Las explosiones de rayos gama fueron descubiertas a finales de la década de 1960 por satélites de espionaje estadounidenses. Lo que los satélites buscaban eran señales de alguna prueba nuclear rusa, pero en su lugar descubrieron estos rayos gamma provenientes de distintos puntos del espacio.
“La razón por la cual necesitamos ponernos los ‘anteojos’ para los rayos gamma es que muchos objetos, los más extremos, emiten radiación o luz únicamente en esa parte del espectro”, dice Neil Gehrels, uno de los científicos líderes del proyecto, del Centro Espacial Goddard de la NASA.
“Lo único que puede generar rayos gamma son eventos violentos: estrellas que explotan, pulsares, estrellas de neutrones con campos magnéticos sumamente fuertes, y cosas así de exóticas. Creemos además que estas explosiones gamma suceden cuando nace un agujero negro. No sabemos bien cómo funciona, pero Fermi/GLAST nos va a dar una buena clave. También esperamos que nos ayude a comprender la materia oscura”.
Puesto que la atmósfera de la Tierra absorbe los rayos gamma (gracias al cielo, porque son más cancerígenos que los rayos X y la radiación ultravioleta combinados) no es posible estudiarlos desde aquí abajo. Con su habilidad para barrer el cielo entero cada tres horas, es de esperar que Fermi verá hasta 200 explosiones al año.
“Y la historia muestra que cuando se abre una nueva banda en el espectro electromagnético, uno puede esperar grandes sorpresas”, dice Gehrels.
Fermi está detectando fotones que vienen con energías de entre 8,000 hasta más de 300 millardos de electronvoltios. Un electronvoltio es una unidad de energía cercana a la de la luz visible. Es decir que Fermi atrapará fotones miles de millones más energéticos de los que vemos con nuestros ojos. (La única diferencia entre un fotón visible y uno de rayos gamma es su cantidad de energía, y de ahí por qué son tan peligrosos para las formas de vida).
La altísima energía de los rayos gamma supone otro problema: son capaces de pasar derecho a través de cualquier lente o espejo, lo cual los hace muy difíciles de recolectar y enfocar en un telescopio. Por eso, las observaciones del universo de los rayos gamma tienen que usar tecnología no tanto astronómica, sino del campo de la física subatómica, donde están acostumbrados a vérselas con partículas diminutas e hiperveloces.
Y por eso, Fermi, al igual que el Gran Acelerador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) enterrado a 150 metros bajo la frontera francosuiza, tiene el potencial de hallar la elusiva partícula que compone la materia oscura. Como implica su nombre, los astrónomos no pueden ver la materia oscura. Sólo la gravedad la delata. Muchos físicos teóricos piensan que está hecha de “
partículas que interactúan débilmente” (WIMPS). Si el LHC produce estas partículas, los físicos aun necesitarían confirmar que las mismas conforman la materia oscura en el espacio. Y es allí donde el Fermi entra en escena.
“Según la teoría de la supersimetría, los WIMPS actúan como sus propias partículas de antimateria”, dice Dan Hooper, del acelerador Fermi en Illinois. “Cuando dos WIMPS interactúan, se aniquilarían el uno al otro, liberando una lluvia de partículas secundarias, y también rayos gamma. Si el Fermi logra ver estas huellas de materia oscura, sería uno de los mayores descubrimientos de la astronomía”.
Agujeros negros y estrellas de neutrones
Otro gran descubrimiento aguarda en el corazón de los bestiales agujeros negros.
“Todos los días se da alguna explosión de rayos gamma en alguna parte del universo”, dice Joshua Bloom, profesor de astronomía de la Universidad de California en Berkeley.
Pero no es fácil descubrir de dónde provienen exactamente. Lo que es interesante es que hemos descubierto que hay dos sabores de rayos gamma: las explosiones largas, de unos cuantos segundos, que sabemos que provienen de la muerte de alguna estrella masiva y joven. Pero también están las cortas, de unas fracciones de segundo. Y esas nos tienen muy emocionados.
Creemos que son la prueba de la existencia de un sistema binario de estrellas de neutrones que están acercándose una a la otra y eventualmente terminarán estrellándose, y generando los rayos gamma. Estas estrellas son objetos tan increíblemente densos, que tienen la masa del sol condensada dentro de un área del tamaño de Barcelona. Representan el último bastión contra la gravedad que puede tomar la materia ordinaria. Y cuando chocan, se colapsan para formar un agujero negro. Entonces, durante este colapso, parte de la masa de las estrellas no cae dentro del agujero negro, sino que es liberada en forma de energía, y esa energía son los rayos gamma.
“Pensamos que en nuestra galaxia hay como un millón de esos sistemas geniales, aunque son my pocos los que se chocan. Hasta hace poco creíamos que lo sabíamos todo acerca de las explosiones de rayos gamma. Las asociábamos con el centro de las galaxias y con las estrellas agonizantes. Pero entonces descubrimos esa otra clase de explosiones de cortísima duración. Encima de todo, creemos que existen otros rayos ‘híbridos’, a medio camino entre los largos y los cortos. Y esos sí que andan rodeados de misterio”, termina Bloom.
Fermi podrá observar la formación de agujeros negros en las estrellas de neutrones, pero también aquellos que se forman en el centro activo de las galaxias.
“Cando la información comience a llegarnos, el telescopio podría sorprender a pequeños agujeros negros primordiales en pleno proceso de formación y evaporación, confirmando una predicción de Stephen Hawking de que tales objetos se encojen emitiendo radiación y eventualmente perecen en medio de un destello crematorio de rayos gamma”, dice Gehrels.
¿Podría una explosión de rayos gama destruir la Tierra?
El físico de la Universidad de Princeton Steve Thorsett se hizo esa misma pregunta en la revista Astrophysical Journal Letters. Si la explosión sucediera cerca, digamos a 3,000 años luz de distancia, dice Thorsett, el flujo de radiación recibida en unas décimas de segundo tostaría la capa de ozono durante años. El drástico aumento en radiación ultravioleta produciría cánceres e inhibiría el crecimiento de plantas, alterando los ecosistemas que dan soporte a la vida. Como en un invierno nuclear, los óxidos nítricos que oscurecen nuestra piel también ocasionarían lluvias ácidas y enfriamiento de la superficie terrestre.
Especialmente devastadores serían los rayos gamma emitidos por las estrellas de neutrones porque los jets de rayos son producidos a casi la velocidad de la luz, y son los de mayor energía. Algunos cálculos dicen que cada 100 millones de años se colapsa un par de estrellas de neutrones en nuestra galaxia, a menos de 3,000 años luz de distancia de nosotros. Lo interesante, dicen algunos autores, es que 100 millones de años es la misma escala de tiempo geológico que hay entre las extinciones masivas de la Tierra.
Pero hay quienes asocian a los rayos gamma con la vida y no con la muerte. Brian McBreen y Lorraine Hanlon del University College de Dublin piensan que los efectos de una explosión gamma en la nebulosa que formó nuestro sistema solar fue algo muy positivo. Según ellos, el hierro dentro de la nebulosa absorbió los rayos gamma, formando grumos que eventualmente se convirtieron en asteroides y después en los planetas rocosos, incluyendo al nuestro.
Hijos de la violencia cósmica, los rayos gamma súper energéticos son el mejor representante del ‘universo extremo’. “Son uno de los grandes misterios de la astronomía moderna”, dice Alice Harding, del centro Goddard.
“Nos preguntamos aun cosas tales como ¿de qué están hechos los jets de las explosiones? ¿Cómo interactúan con los otros materiales producidos por la explosión? ¿Cómo se producen los rayos gamma durante la explosión inicial? ¿Cómo funciona el motor central de esas inmensas explosiones? Algo que sí le aseguro es que con el Fermi vamos a encontrar cosas que no entendemos. Entonces vamos a tener que descubrir cómo vérnoslas con eso. Va a ser divertido estudiar las fuentes de los rayos gamma que conocemos, pero todavía más divertido resolver los misterios de las fuentes que no podemos explicar”.
Anatomía del GLAST/Fermi
El GLAST tiene dos instrumentos que trabajarán en concierto para entender las explosiones de rayos gamma. El principal es un sistema de detección llamado Large Area Telescope/LAT (Telescopio de Área Grande), que consiste en dos aparatos para seguir la dirección y energía de los fotones gamma de alta energía. Básicamente son torres compuestas de capas de tungsteno y silicona puestas una sobre otra como una lasagna. Cuando un rayo gamma se estrella contra la capa de tungsteno, puede suceder que su energía se transforme en un electrón y un positrón, que son impulsados en la misma dirección que habría tomado el rayo.
A medida que las dos partículas viajan a través de las capas de la “lasagna”, van generando corrientes que revelan la dirección en que avanzan. Cuando salen por el fondo de la torre, las partículas entran en una cámara de yoduro de cesio (el aparato que detecta su energía) produciendo un destello de luz cuyo grado de intensidad muestra la rapidez de su movimiento.
El segundo instrumento está diseñado para capturar rayos gamma de menor energía, y se llama GLAST Burst Monitor/GBM (Monitor de Explosiones). Se trata de 12 discos de yoduro de sodio y otros dos de germanato de bismuto, que están apuntando en direcciones distintas, cubriendo prácticamente todo el cielo. Los discos producen luz cuando son golpeados por los fotones en la porción de menor energía del espectro de los rayos gamma. Para determinar la dirección de dónde provino el rayo, sólo hay que anotar cuál de los discos tiene la huella luminosa.
El desafío de ingeniería de los detectores del Fermi fue hacer que pudieran funcionar con la muy poca energía disponible al satélite por medio de sus paneles solares. La solución fue simplificar la electrónica hasta el punto de hacerla funcionar con apenas 160 vatios. Eso es equivalente a dos bombillos.
Otros avistadores de rayos gama
El observatorio espacial Compton de la NASA detectó varias explosiones de rayos gamma, determinando por primera vez que provienen de puntos al azar en el universo. Compton fue uno de los grandes telescopios espaciales de la NASA, y su vida terminó en el año 2000, en el que se le obligó a estrellarse en el Pacífico en un accidente controlado.
A finales de la década de 1990, el satélite italiano-holandés BeppoSAX pudo determinar la localización exacta de varias explosiones gamma. Esto fue un desarrollo crucial porque permitió a los astrónomos por primera vez medir las distancias entre la Tierra y las explosiones, y observar cómo interactuaban con sus alrededores inmediatos.
El ahora fallecido satélite HETE-2, y el Swift, aun en funcionamiento, permitieron descubrir que las explosiones gamma de dos segundos de duración (las largas) están asociadas con la muerte de estrellas masivas.
El International Gamma-Ray Astronomy Laboratory (INTEGRAL), de la Agencia Espacial Europea fue lanzado en octubre de 2002, detectó las explosiones gamma más lejanas y también las más cercanas que se tengan hasta ahora, entre otras observaciones de gran importancia.
El nuevo observatorio internacional Fermi tiene el potencial de contestar preguntas fundamentales sobre la naturaleza, el origen, la clasificación y el comportamiento de las explosiones de rayos gamma, además de otros misterios universales en el campo de la física subatómica, que incluyen la materia oscura.
Por loinexplicable
