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Colaboración HAWC ayuda a descubrir la luz más energética del Sol

• Astrofísicos de la Universidad Estatal de Michigan formaron parte de una colaboración internacional que encontró que el Sol envía rayos gamma con energías más altas que las conocidas anteriormente.
• La investigación fue publicada en la revista Physical Review Letters.
• Los rayos gamma pierden energía al ingresar a la atmósfera terrestre, por lo que no representan un peligro para la vida. Este hecho también hace posible que estos rayos pudieran ser descubiertos por los investigadores del observatorio High-Altitude Water Cherenkov Observatory, o HAWC por sus siglas en inglés, localizado en México.
• “Esto muestra que HAWC contribuye a nuestro conocimiento de la galaxia a las más altas energías, y que encuentra nuevas incógnitas sobre nuestro propio Sol” menciona Mehr Un Nisa, investigadora posdoctoral en MSU y autora de correspondencia de este nuevo reporte.

En algunas ocasiones, el mejor lugar para ocultar un secreto es a la luz del día. Basta con preguntarle al Sol.

“El Sol es más sorprendente de lo que pensamos” dice Mehr Un Nisa, investigadora posdoctoral de la Universidad Estatal de Michigan. “Pensamos que entendemos bien a esta estrella, pero no es el caso.”

Nisa es la autora de correspondencia de un nuevo artículo publicado en la revista Physical Review Letters, que detalla el descubrimiento de la luz de más alta energía del Sol.

El equipo internacional detrás de este descubrimiento también encontró que este tipo de luz, conocida como rayos gamma, es sorprendentemente intensa. Es decir, hay más de la que los científicos habían anticipado.

Observando desde HAWC

Aunque la luz de alta energía no llega a la superficie de la Tierra, estos rayos gamma dejan señales que fueron encontradas por Nisa y sus colaboradores del observatorio de luz Cherenkov a gran altura, o HAWC.

Financiado por la agencia NSF de Estados Unidos y por el Conahcyt en México, HAWC es una parte importante de esta historia. A diferencia de otros observatorios, HAWC funciona todo el tiempo.

“Ahora contamos con técnicas observacionales que no eran posibles hace algunos años”, menciona Nisa, que trabaja en el Departamento de Física y Astronomía  en el  Colegio de Ciencias Naturales.

“En este régimen de energía, otros observatorios instalados sobre la superficie terrestre no pueden observar al Sol debido a que sólo trabajan por las noches” menciona Nisa. “El nuestro opera todo el tiempo”.

Además de funcionar de forma distinta a los telescopios tradicionales, HAWC luce muy diferente.

En lugar de ser un cilindro equipado con lentes, HAWC utiliza un arreglo de 300 grandes tanques de agua, cada uno de los cuales contiene alrededor de 200 toneladas métricas de agua. Este arreglo se encuentra ubicado entre dos volcanes inactivos en México, a más de 4000 metros sobre el nivel del mar.

Desde esta ubicación, HAWC puede observar el resultado de que un rayo gamma choque con la atmósfera. Estas colisiones crean lo que se conoce como cascadas atmosféricas, que son parecidas a explosiones de partículas que son imperceptibles a simple vista.

La energía del rayo gamma inicial se libera y es redistribuida entre los nuevos fragmentos producidos en las explosiones, es decir partículas con energías más bajas y en luz. Son estas nuevas partículas —y las que son creadas posteriormente durante en descenso de la cascada atmosférica— las que HAWC es capaz de “ver”.

Cuando la cascada de partículas llega a los tanques de agua de HAWC, ésta genera lo que se conoce como radiación de Cherenkov, que puede ser detectada con los instrumentos de HAWC.

Nisa y sus colegas comenzaron a registrar datos en 2015. En 2021, la colaboración había adquirido suficientes datos para empezar a examinar los rayos gamma del Sol con suficiente precisión.

“Después de estudiar seis años de datos, empezamos a observar un exceso de rayos gamma”, menciona Nisa. “Cuando encontramos esto por primera vez, pensamos: definitivamente cometimos un error. El Sol no puede brillar tanto a estas energías”.

Haciendo historia

El Sol produce una gran cantidad de luz en un amplio rango de energías, pero la luz en algunas energías es más abundante que en otras.

Por ejemplo, a través de reacciones nucleares, el Sol provee una gran cantidad de luz visible —es decir, luz que podemos ver con los ojos. Este tipo de luz tiene una energía de alrededor de un electrón volt, la cual es una unidad de medida usada en la física.

Los rayos gamma que Nisa y sus colaboradores observaron tienen alrededor de un billón de electrón volts, o un Tera electrón volt, abreviado como un TeV. Lo sorprendente no era sólo la energía, sino también la cantidad de luz que se observa.

En la década de los noventa, científicos predijeron que el Sol podía producir rayos gamma cuando los rayos cósmicos de alta energía —partículas aceleradas por objetos astrofísicos como agujeros negros o supernovas— colisionan con protones del Sol. Pero, basándose en lo que se conoce sobre los rayos cósmicos y el Sol, los investigadores predijeron que sería muy poco común observar que estos rayos gamma llegaran a la Tierra.

Sin embargo, en ese momento no había instrumentos capaces de detectar rayos gamma de tan alta energía, y ese sería el caso por un tiempo. La primera observación de rayos gamma con energías de más de mil millones de electrón volts fue hecha por el telescopio espacial Fermi de la NASA en 2011.

Durante los siguientes años, el observatorio Fermi demostró no sólo que estos rayos tenían muy alta energía, sino también que había alrededor de siete veces más de los que originalmente se habían anticipado. Y parecía que habría rayos gamma de aún más alta energía por ser descubiertos.

Cuando se lanza un telescopio al espacio, hay un límite de qué tan grande y qué tan poderosos pueden ser sus detectores. Las mediciones de rayos gamma del Sol que eran posibles con el telescopio Fermi tienen un máximo de aproximadamente 200 mil millones de electrón volts.

Físicos teóricos encabezados por John Beacom y Annika Peter, ambos profesores en la Universidad Estatal de Ohio, incentivaron a la colaboración HAWC para que realizara mediciones.

“Ellos nos impulsaron y dijeron, ‘No observamos que exista una energía de corte. Es probable que puedan observar algo”, menciona Nisa.

La colaboración HAWC involucra a más de 30 instituciones en Norte América, Europa y Asia, y una fracción significativa es representada por los aproximadamente cien autores de esta nueva publicación. Esta incluye a tres espartanos adicionales: el estudiante de posgrado Daniel Salazar-Gallegos, el Profesor Emérito James T. Linneman y a Kirsten Tollefson, profesora de física y astronomía y decana asociada en la escuela de posgrado de MSU.

Por primera vez, la colaboración ha mostrado que las energías de los rayos del Sol se extienden hasta el rango de los TeV, hasta casi diez TeV, energía que parece ser la máxima, menciona Nisa.

En este momento, el descubrimiento genera más preguntas que respuestas. Los científicos que estudian al Sol se preguntan ahora cómo es posible que los rayos gamma puedan alcanzar energías tan altas y qué papel juega el campo magnético del Sol en este fenómeno, menciona Nisa.

Sin embargo, cuando se trata del cosmos, esto es parte de lo emocionante. Este nos muestra que había algo incorrecto, o faltante, o ambas cosas, en cuanto se trata de entender a nuestra estrella más cercana.

“Esto muestra que HAWC contribuye al entendimiento de nuestra galaxia a las energías más altas, y crea preguntas nuevas sobre nuestro propio Sol”, menciona Nisa. “Hace que veamos las cosas con una luz diferente. Literalmente.”

Imagen compuesta que muestra una fotografía del observatorio HAWC en México detectando partículas, cuyas trayectorias se muestran como líneas rojas, generadas por rayos gamma del Sol. Investigadores de la Universidad Estatal de Michigan formaron parte del equipo que observó estas partículas y rayos gamma. Crédito: Mehr Un Nisa.

 

Forma en que el exceso de rayos gamma aparece en los datos del observatorio HAWC. La colaboración incluye a investigadores de la Universidad Estatal de Michigan. Crédito: Cortesía de la colaboración HAWC.