Avanza la construcción del observatorio de rayos gamma más importante del mundo

Con una inversión de 10 millones de dólares, en otoño de 2014 habrá concluido, en México, la construcción del mayor y más moderno observatorio de rayos gamma en el mundo, como resultado de una colaboración entre el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México, la UNAM y la Fundación Nacional para la Ciencia de Estados Unidos, entre otras instituciones de ambos países. 

Su nombre es High Altitude Water Cherenkov o HAWC (por sus siglas en inglés) y se encuentra ubicado en una extensión de cerca de 24 mil metros cuadrados en el volcán Sierra Negra del Parque Nacional Pico de Orizaba, a un kilómetro del Gran Telescopio Milimétrico y a 4 mil 100 metros de altura sobre el nivel del mar.

El sitio fue elegido en el 2006 entre otros lugares altos en Chile y el Tibet, por ser una ubicación que no se encuentra congelada todo el año a pesar de su altura, y la existencia de servicios como caminos, internet y energía eléctrica.

Una vez concluido el observatorio recibirá el nombre de HAWC 300 pues contará con 300 Detectores Cherenkov de Agua, que permitirán monitorear durante 24 horas al día las cascadas de partículas que se producen cuando los rayos gamma y rayos cósmicos provenientes de objetos como cuásares, agujeros negros, o incluso el Sol, impactan la atmósfera de la Tierra.

El origen

Andrés Sandoval, investigador del Instituto de Física de la UNAM, y miembro del comité ejecutivo de HAWC, durante una conferencia dictada en el Instituto de Geofísica de esta universidad, explicó que los rayos gamma son radiaciones electromagnéticas de muy altas energías que van desde decenas de millones de electronvolts hasta centenas de tera electronvolts.

Este tipo de radiación, la de mayor energía en el universo, se produce cuando explota una bomba nuclear, pero también en el espacio, cuando un agujero negro acreta o se traga estrellas o nubes de polvo,  cuando una estrella de neutrones gira a gran velocidad, o cuando se funden dos estrellas de neutrones entre otros eventos.

El especialista relató que los rayos gamma comenzaron a detectarse en la década de los 60, cuando el gobierno estadounidense puso en órbita una serie de satélites secretos con la capacidad de detectarlos, su objetivo era verificar si los soviéticos hacían o no pruebas de armas nucleares en la atmósfera.

Los satélites, dijo, empezaron a detectar destellos de rayos gamma y se pensaba que provenían de las pruebas nucleares, pero estos destellos de rayos gamma se sensaron todos los días, durante cerca de un mes, los científicos se dieron cuenta que los rusos no podían ser la fuente y que esos rayos gamma provenían de otra fuente, sin embargo, la información permaneció en secreto durante muchos años.

Los rayos gamma no penetran la atmósfera, por eso originalmente se detectaron mediante satélites que tenían sensores capaces de detectar estas energías a grandes alturas sobre la superficie de la Tierra. Actualmente, el satélite Fermi, cuenta con un detector de rayos gamma de un metro cuadrado y con él se pueden monitorear fuentes de rayos gamma que se encuentran en nuestra galaxia pero también otros orígenes que están mucho más allá de los límites de la misma.

Los detectores de agua Cherenkov

Un observatorio de rayos gamma en Tierra no detecta directamente los rayos gamma, pues como se dijo antes, éstos no penetran la atmósfera. La radiación electromagnética de alta energía impacta con las partículas de la atmósfera y se convierte en una lluvia de partículas llamada cascada atmosférica. Las partículas de la cascada van bajando poco a poco y se absorben en el aire.

Es por eso que un observatorio de rayos gamma como HAWC se construyó a miles de metros de altura donde todavía puede detectar muchas de estas partículas antes de que se absorban por completo. 

Los detectores Cherenkov que integran el HAWC, constan de una estructura metálica de forma cilíndrica, dentro de la cual se coloca una inmensa bolsa de plástico, cerrada herméticamente y llena de agua purificada. En el fondo de cada uno de estos tanques, de 200 mil litros, los científicos colocaron 4 foto multiplicadores que detectan la luz azul, o luz cherenkov que se produce cuando estas partículas viajan a través del agua.

Exigencias tecnológicas

En el 2009, se construyeron los primeros detectores Cherenkov de HAWC. La idea original era utilizar tanques de plástico rotoplas, pero los más grandes eran aún pequeños para usarse como detectores Cherenkov y se exploró la posibilidad de fabricar tinacos más grandes de hasta 5 metros de diámetro. Sin embargo, no existía la tecnología (hornos y moldes) para fabricarlos y aún cuando se pudieran hacer de ese tamaño no podrían transportarse estos objetos tan grandes hasta el volcán por carretera.

Buscando una alternativa, los físicos involucrados en el proyecto, se inspiraron en silos, fabricados a partir de láminas de acero corrugado atornilladas, que se utilizan para guardar semillas o líquidos. Estos silos podían transportarse en piezas hasta la montaña y ahí ser construidas de cualquier diámetro y cualquier altura.

Se diseñaron varios prototipos de estructuras metálicas que pudieran contener una bolsa con 200 mil litros de agua hasta obtener el óptimo, un tanque de 7.3 metros de diámetro y 4.5 metros de altura.

La tecnología para fabricar las bolsas de plástico que contendrían los 200 mil litros de agua purificada tampoco estaba disponible y tuvo que ser desarrollada por investigadores de la Universidad Estatal de Colorado.

El agua de los detectores debe ser totalmente pura, para ello, en el sitio se cuenta con una planta de tratamiento de agua, que filtra partículas de 10 micras y posteriormente de una micra, además de que se hace pasar por luz ultravioleta para matar cualquier microorganismo que pudiera contener. La exigencia es que el agua contenida en un tanque se mantenga totalmente inerte durante al menos 10 años.

Para acceder a la información de los detectores estos cuentan con un sistema electrónico y computadoras conectados mediante cables y fibra óptica al pueblo más cercano llamado Atzitzintla para de ahí poder enviar la información a la UNAM y a otras universidades en Estados Unidos. También se tuvo que desarrollar un software para la adquisición y el análisis de los datos recopilados por el observatorio.

HAWC 30 y HAWC 100

El primer prototipo de ingeniería de HAWC, pensado para poner a prueba la tecnología, se llamó VAMOS e inició su construcción en 2010 con 7 tanques. Estudiantes e investigadores construyeron el primer tanque con sus propias manos, pero actualmente se cuenta con cuadrillas de trabajadores que pueden ensamblar un tanque por día.

HAWC 30, es decir, el 10 porciento del proyecto final, se terminó de construir en el verano de 2012. Andrés Sandoval señaló que ya se encuentra en operación y puede ser controlado a distancia desde ciudad universitaria o desde alguna de las instituciones participantes en Estados Unidos.

El investigador agregó que, dado que la construcción del observatorio es modular, cada que se concluye un detector puede ir incorporándose a la red. La siguiente meta, expresó, es completar la construcción de HAWC 100 en verano de este 2013 y a finales del año próximo, contar con el arreglo final de 300 detectores funcionando de modo coordinado.

El observatorio HAWC es un instrumento de frontera, único en el mundo. Sus creadores  esperan que se mantenga en funcionamiento hasta el año 2021 y que, durante ese tiempo, sea una herramienta extraordinaria para astrofísicos, físicos solares, y físicos de partículas elementales de todo el mundo.