Astronomía de rayos gamma

La astronomía de rayos gamma es un subcampo de la astronomía donde los científicos observan y estudian objetos y fenómenos celestes en el espacio exterior que emiten radiación electromagnética cósmica en forma de rayos gamma , ^{[ nb 1 ]} es decir, fotones con las energías más altas (por encima de 100 keV ) en las longitudes de onda más cortas. ^{[ 2 ]} La astronomía de rayos X utiliza el siguiente rango de energía más bajo, la radiación de rayos X , con energía por debajo de 100 keV.

En la mayoría de los casos, los rayos gamma de las erupciones solares y la atmósfera terrestre se encuentran en el rango de MeV, pero ahora se sabe que las erupciones solares también pueden producir rayos gamma en el rango de GeV, contrariamente a las creencias anteriores. Gran parte de la radiación gamma detectada proviene de colisiones entre gas de hidrógeno y rayos cósmicos dentro de nuestra galaxia . Estos rayos gamma, originados por diversos mecanismos como la aniquilación electrón-positrón , el efecto Compton inverso y en algunos casos la desintegración gamma , ^{[ 3 ]} ocurren en regiones de temperatura, densidad y campos magnéticos extremos, reflejando procesos astrofísicos violentos como la desintegración de piones neutros . Proporcionan información sobre eventos extremos como supernovas , hipernovas y el comportamiento de la materia en entornos como púlsares y blázares . Se ha identificado una gran cantidad de sistemas de alta energía que emiten rayos gamma, como agujeros negros , coronas estelares , estrellas de neutrones , enanas blancas , remanentes de supernovas y cúmulos de galaxias, incluyendo la Nebulosa del Cangrejo y el Púlsar Vela (la fuente más potente hasta ahora), junto con un fondo general difuso de rayos gamma a lo largo del plano de la Vía Láctea . La radiación cósmica de mayor energía desencadena cascadas de electrones y fotones en la atmósfera, mientras que los rayos gamma de menor energía solo son detectables por encima de ella. Los estallidos de rayos gamma , como GRB 190114C , son fenómenos transitorios que ponen a prueba nuestra comprensión de los procesos astrofísicos de alta energía , con duraciones que van desde microsegundos hasta varios cientos de segundos.

Los rayos gamma son difíciles de detectar debido a su alta energía y a su bloqueo por la atmósfera terrestre, lo que requiere detectores transportados por globos y satélites artificiales en el espacio. Los primeros experimentos en las décadas de 1950 y 1960 utilizaron globos para transportar instrumentos y acceder a altitudes donde la absorción atmosférica de rayos gamma es baja, seguidos por el lanzamiento de los primeros satélites de rayos gamma: SAS 2 (1972) y COS-B (1975). Estos eran satélites de defensa diseñados originalmente para detectar rayos gamma provenientes de pruebas nucleares secretas, pero descubrieron desconcertantes ráfagas de rayos gamma provenientes del espacio profundo. En la década de 1970, los observatorios satelitales encontraron varias fuentes de rayos gamma, entre las cuales una fuente muy intensa llamada Geminga fue posteriormente identificada como un púlsar cercano. El Observatorio de Rayos Gamma Compton (lanzado en 1991) reveló numerosas fuentes de rayos gamma en el espacio. En la actualidad, tanto los observatorios terrestres como el conjunto VERITAS como los telescopios espaciales como el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi (lanzado en 2008) contribuyen significativamente a la astronomía de rayos gamma. Este campo interdisciplinario implica la colaboración entre físicos, astrofísicos e ingenieros en proyectos como el Sistema Estereoscópico de Alta Energía (HESS), que explora entornos astrofísicos extremos como las proximidades de agujeros negros en núcleos galácticos activos .

El estudio de los rayos gamma proporciona información valiosa sobre entornos astrofísicos extremos, como los observados por el Observatorio HESS. La investigación actual busca ampliar nuestra comprensión de las fuentes de rayos gamma, como los blázares, y sus implicaciones para la cosmología. Dado que los rayos gamma de GeV son importantes en el estudio de la astronomía extrasolar, y especialmente extragaláctica , las nuevas observaciones pueden complicar algunos modelos y hallazgos previos. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Los futuros avances en la astronomía de rayos gamma integrarán datos de observatorios de ondas gravitacionales y neutrinos ( astronomía multimensajero ), enriqueciendo nuestra comprensión de eventos cósmicos como la fusión de estrellas de neutrones. Los avances tecnológicos, incluyendo diseños de espejos avanzados, mejores tecnologías de cámara , sistemas de disparo mejorados, electrónica de lectura más rápida , detectores de fotones de alto rendimiento como los fotomultiplicadores de silicio (SiPM), junto con algoritmos innovadores de procesamiento de datos como técnicas de etiquetado temporal y métodos de reconstrucción de eventos , mejorarán la resolución espacial y temporal . Los algoritmos de aprendizaje automático y el análisis de macrodatos facilitarán la extracción de información valiosa de vastos conjuntos de datos, lo que conducirá al descubrimiento de nuevas fuentes de rayos gamma, la identificación de firmas específicas de rayos gamma y una mejor modelización de los mecanismos de emisión de rayos gamma. Las futuras misiones podrían incluir telescopios espaciales y observatorios lunares de rayos gamma (aprovechando la falta de atmósfera y el entorno estable de la Luna para observaciones prolongadas), lo que permitirá observaciones en regiones previamente inaccesibles. Se prevé que el proyecto Cherenkov Telescope Array , un observatorio de rayos gamma de próxima generación con base en tierra que incorporará muchas de estas mejoras y será diez veces más sensible, esté en pleno funcionamiento para 2025. ^{[ 6 ]}

Mucho antes de que los experimentos pudieran detectar los rayos gamma emitidos por fuentes cósmicas, los científicos sabían que el universo debía producirlos. El trabajo de Eugene Feenberg y Henry Primakoff en 1948, Sachio Hayakawa e IB Hutchinson en 1952 y, especialmente, Philip Morrison en 1958 ^{[ 7 ]} llevó a los científicos a creer que diversos procesos que ocurrían en el universo darían lugar a la emisión de rayos gamma. Estos procesos incluían las interacciones de los rayos cósmicos con el gas interestelar , las explosiones de supernovas y las interacciones de electrones energéticos con campos magnéticos . Sin embargo, no fue hasta la década de 1960 que pudimos detectar estas emisiones. ^{[ 8 ]}

La mayor parte de los rayos gamma provenientes del espacio son absorbidos por la atmósfera terrestre, por lo que la astronomía de rayos gamma no pudo desarrollarse hasta que fue posible colocar detectores por encima de la atmósfera, o al menos de la mayor parte de ella, mediante globos y naves espaciales. El primer telescopio de rayos gamma puesto en órbita, a bordo del satélite Explorer 11 en 1961, detectó menos de 100 fotones cósmicos de rayos gamma. Estos parecían provenir de todas las direcciones del Universo, lo que implicaba una especie de "fondo de rayos gamma" uniforme. Dicho fondo se esperaría de la interacción de los rayos cósmicos (partículas cargadas de alta energía en el espacio) con el gas interestelar.

Las primeras fuentes astrofísicas de rayos gamma fueron las erupciones solares, que revelaron la intensa línea de 2,223 MeV predicha por Morrison. Esta línea resulta de la formación de deuterio mediante la unión de un neutrón y un protón; en una erupción solar, los neutrones aparecen como partículas secundarias provenientes de las interacciones de iones de alta energía acelerados durante el proceso. Estas primeras observaciones de líneas de rayos gamma fueron realizadas por OSO 3 , OSO 7 y la Misión del Máximo Solar , esta última lanzada en 1980. Las observaciones solares inspiraron el trabajo teórico de Reuven Ramaty y otros. ^{[ 9 ]}

La emisión significativa de rayos gamma de nuestra galaxia fue detectada por primera vez en 1967 ^{[ 10 ]} por el detector a bordo del satélite OSO 3. Detectó 621 eventos atribuibles a rayos gamma cósmicos. Sin embargo, el campo de la astronomía de rayos gamma dio grandes saltos con los satélites SAS-2 (1972) y Cos-B (1975-1982). Estos dos satélites proporcionaron una visión fascinante del universo de alta energía (a veces llamado el universo "violento", porque los tipos de eventos en el espacio que producen rayos gamma tienden a ser colisiones de alta velocidad y procesos similares). Confirmaron los hallazgos anteriores del fondo de rayos gamma, produjeron el primer mapa detallado del cielo en longitudes de onda de rayos gamma y detectaron varias fuentes puntuales. Sin embargo, la resolución de los instrumentos fue insuficiente para identificar la mayoría de estas fuentes puntuales con estrellas visibles o sistemas estelares específicos.

Un descubrimiento en la astronomía de rayos gamma se produjo a finales de la década de 1960 y principios de la de 1970 gracias a una constelación de satélites de defensa militar. Los detectores a bordo de la serie de satélites Vela , diseñados para detectar destellos de rayos gamma procedentes de explosiones de bombas nucleares, comenzaron a registrar ráfagas de rayos gamma provenientes del espacio profundo en lugar de las proximidades de la Tierra. Detectores posteriores determinaron que estas ráfagas de rayos gamma duran desde fracciones de segundo hasta minutos, aparecen repentinamente desde direcciones inesperadas, parpadean y luego se desvanecen tras dominar brevemente el cielo de rayos gamma. Estudiadas desde mediados de la década de 1980 con instrumentos a bordo de diversos satélites y sondas espaciales, incluyendo la nave espacial soviética Venera y el orbitador Pioneer Venus , las fuentes de estos enigmáticos destellos de alta energía siguen siendo un misterio. Parecen provenir de muy lejos en el Universo, y actualmente la teoría más probable parece ser que al menos algunas de ellas provienen de las llamadas explosiones de hipernovas : supernovas que crean agujeros negros en lugar de estrellas de neutrones .

Se observaron rayos gamma nucleares provenientes de las erupciones solares del 4 y 7 de agosto de 1972 y del 22 de noviembre de 1977. ^{[ 11 ]} Una erupción solar es una explosión en la atmósfera solar y fue detectada originalmente de forma visual en el Sol . Las erupciones solares generan enormes cantidades de radiación en todo el espectro electromagnético, desde la longitud de onda más larga, las ondas de radio , hasta los rayos gamma de alta energía. Las correlaciones entre los electrones de alta energía energizados durante la erupción y los rayos gamma se deben principalmente a combinaciones nucleares de protones de alta energía y otros iones más pesados. Estos rayos gamma pueden observarse y permiten a los científicos determinar los principales resultados de la energía liberada, información que no se obtiene con las emisiones de otras longitudes de onda. ^{[ 12 ]}

Véase también Magnetar#1979 descubrimiento detección de un repetidor gamma suave .

La observación de rayos gamma fue posible por primera vez en la década de 1960. Su observación es mucho más problemática que la de rayos X o luz visible, debido a que los rayos gamma son relativamente raros (incluso una fuente "brillante" requiere varios minutos de observación antes de ser detectada) y a la dificultad para enfocarlos, lo que resulta en una resolución muy baja. La generación más reciente de telescopios de rayos gamma (década de 2000) tiene una resolución del orden de 6 minutos de arco en el rango de GeV (viendo la Nebulosa del Cangrejo como un solo "píxel"), en comparación con los 0,5 segundos de arco observados en el rango de rayos X de baja energía (1 keV) por el Observatorio de Rayos X Chandra (1999), y aproximadamente 1,5 minutos de arco en el rango de rayos X de alta energía (100 keV) observados por el Telescopio de Enfoque de Alta Energía (2005).

Los rayos gamma de alta energía, con energías fotónicas superiores a ~30 GeV, también pueden detectarse mediante experimentos terrestres. Los flujos de fotones extremadamente bajos a energías tan elevadas requieren áreas efectivas de detector que resultan impracticablemente grandes para los instrumentos espaciales actuales. Estos fotones de alta energía producen extensas cascadas de partículas secundarias en la atmósfera, que pueden observarse en tierra, tanto directamente mediante contadores de radiación como ópticamente a través de la luz Cherenkov que emiten las partículas ultrarrelativistas de la cascada. La técnica del Telescopio Cherenkov Atmosférico de Imágenes (ACT) alcanza actualmente la mayor sensibilidad.

La radiación gamma en el rango de TeV que emana de la Nebulosa del Cangrejo fue detectada por primera vez en 1989 por el Observatorio Fred Lawrence Whipple en el Monte Hopkins , Arizona , EE. UU. Experimentos modernos de telescopios Cherenkov como HESS , VERITAS , MAGIC y CANGAROO III pueden detectar la Nebulosa del Cangrejo en pocos minutos. Los fotones más energéticos (hasta 16 TeV ) observados de un objeto extragaláctico provienen del blazar Markarian 501 (Mrk 501). Estas mediciones fueron realizadas por los telescopios Cherenkov aéreos de Astronomía de Rayos Gamma de Alta Energía ( HEGRA ) .

Las observaciones astronómicas de rayos gamma aún se ven limitadas por el ruido de fondo no gamma a bajas energías y, a energías más altas, por la cantidad de fotones que se pueden detectar. Detectores de mayor área y una mejor supresión del ruido de fondo son esenciales para el progreso en este campo. ^{[ 13 ]} Un descubrimiento en 2012 podría permitir el enfoque de telescopios de rayos gamma. ^{[ 14 ]} A energías de fotones mayores de 700 keV, el índice de refracción comienza a aumentar nuevamente. ^{[ 14 ]}

El 19 de junio de 1988, desde Birigui (50° 20' O, 21° 20' S) a las 10:15 UTC se produjo un lanzamiento de globo que transportaba dos detectores de NaI(Tl) (^{Área total de} 600  cm² ) a una altitud de presión atmosférica de 5,5 mb durante un tiempo total de observación de 6 horas. ^{[ 15 ]} La supernova SN1987A en la Gran Nube de Magallanes (LMC) fue descubierta el 23 de febrero de 1987, y su progenitora, Sanduleak -69 202 , era una supergigante azul con una luminosidad de 2-5 × 10³⁸ erg/s. ^{[ 15 ]} Se han detectadolas líneas de rayos gamma de 847 keV y 1238 keV de ^{la desintegración del 56Co . [ 15 ]}

Durante su programa del Observatorio de Astronomía de Alta Energía en 1977, la NASA anunció planes para construir un "gran observatorio" para la astronomía de rayos gamma. El Observatorio de Rayos Gamma Compton (CGRO) fue diseñado para aprovechar los importantes avances en la tecnología de detectores durante la década de 1980 y fue lanzado en 1991. El satélite transportaba cuatro instrumentos principales que mejoraron enormemente la resolución espacial y temporal de las observaciones de rayos gamma. El CGRO proporcionó grandes cantidades de datos que se están utilizando para mejorar nuestra comprensión de los procesos de alta energía en nuestro Universo. El CGRO fue desorbitado en junio de 2000 como resultado de la falla de uno de sus giroscopios estabilizadores .

BeppoSAX fue lanzado en 1996 y desorbitado en 2003. Su misión principal era el estudio de los rayos X, pero también observó estallidos de rayos gamma. Al identificar las primeras contrapartes no gamma de los estallidos de rayos gamma, abrió el camino para la determinación precisa de su posición y la observación óptica de sus remanentes en galaxias distantes.

El High Energy Transient Explorer 2 (HETE-2) fue lanzado en octubre de 2000 (para una misión nominalmente de 2 años) y seguía operativo (aunque con una actividad cada vez menor) en marzo de 2007. La misión HETE-2 finalizó en marzo de 2008.

Primer estudio del cielo a energías superiores a 1 GeV, recopilado por Fermi en tres años de observación (de 2009 a 2011).

Segundo catálogo de fuentes de rayos gamma de Fermi, elaborado durante dos años. Imagen de todo el cielo que muestra energías superiores a 1 GeV. Los colores más brillantes indican fuentes de rayos gamma. ^{[ 16 ]}

Swift , una nave espacial de la NASA, fue lanzada en 2004 y lleva el instrumento BAT para la observación de estallidos de rayos gamma. Tras BeppoSAX y HETE-2, ha observado numerosas contrapartes ópticas y de rayos X de los estallidos, lo que ha permitido determinar distancias y realizar un seguimiento óptico detallado. Estos estudios han establecido que la mayoría de los estallidos se originan en las explosiones de estrellas masivas ( supernovas e hipernovas ) en galaxias distantes. En 2021, Swift seguía operativa. ^{[ 17 ]}

Actualmente, los otros principales observatorios de rayos gamma espaciales son INTEGRAL (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory), Fermi y AGILE (Astro-rivelatore Gamma a Immagini Leggero).

• INTEGRAL (lanzada el 17 de octubre de 2002) es una misión de la ESA con contribuciones adicionales de la República Checa , Polonia, Estados Unidos y Rusia.
• AGILE es una pequeña misión totalmente italiana fruto de la colaboración entre ASI , INAF e INFN . Fue lanzada con éxito por el cohete indio PSLV-C8 desde la base de ISRO en Sriharikota el 23 de abril de 2007.
• Fermi fue lanzado por la NASA el 11 de junio de 2008. Incluye el LAT, el Telescopio de Gran Área, y el GBM, el Monitor de Estallidos de Rayos Gamma, para el estudio de los estallidos de rayos gamma.

En noviembre de 2010, utilizando el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi , se detectaron dos gigantescas burbujas de rayos gamma, de unos 25 000 años luz de diámetro, en el centro de la Vía Láctea . Se sospecha que estas burbujas de radiación de alta energía provienen de un agujero negro masivo o son evidencia de una explosión de formación estelar ocurrida hace millones de años. Fueron descubiertas después de que los científicos filtraran la "niebla de rayos gamma de fondo que impregna el cielo". Este descubrimiento confirmó indicios previos de que una gran "estructura" desconocida se encontraba en el centro de la Vía Láctea. ^{[ 18 ]}

En 2011, el equipo de Fermi publicó su segundo catálogo de fuentes de rayos gamma detectadas por el Telescopio de Gran Área (LAT) del satélite, que produjo un inventario de 1873 objetos que brillan con la forma de luz de mayor energía. El 57 % de las fuentes son blázares . Más de la mitad de las fuentes son galaxias activas , cuyos agujeros negros centrales crearon emisiones de rayos gamma detectadas por el LAT. Un tercio de las fuentes no se han detectado en otras longitudes de onda. ^{[ 16 ]}

Entre los observatorios terrestres de rayos gamma se encuentran HAWC , MAGIC , HESS y VERITAS . Los observatorios terrestres exploran un rango de energía mayor que los observatorios espaciales, ya que sus áreas efectivas pueden ser varios órdenes de magnitud mayores que las de un satélite.

En abril de 2018 se publicó el catálogo más grande hasta la fecha de fuentes de rayos gamma de alta energía en el espacio. ^{[ 19 ]}

En un comunicado de prensa del 18 de mayo de 2021, el Observatorio Chino de Grandes Cascadas Atmosféricas a Gran Altitud (LHAASO) informó sobre la detección de una docena de rayos gamma de ultra alta energía con energías superiores a 1 petaelectronvoltio (cuatrillón de electronvoltios o PeV), incluyendo uno de 1,4 PeV, el fotón de mayor energía jamás observado. Los autores del informe denominaron a las fuentes de estos rayos gamma PeV como PeVatrones. En 2024, el LHAASO anunció la detección de un rayo gamma de 2,5 PeV originado en la región de Cygnus X.

• Observatorio de rayos cósmicos
• Exceso de GeV en el centro galáctico
• Red de coordenadas de estallidos de rayos gamma
• Historia de la investigación sobre explosiones de rayos gamma
• Rayo cósmico de ultra alta energía

• Historia de la astronomía de rayos gamma, incluyendo descubrimientos relacionados. Archivado el 31 de enero de 2017 en Wayback Machine .
• El Observatorio Cherenkov de Agua de Gran Altitud
• El sistema de telescopios Cherenkov atmosféricos HEGRA
• El experimento de rayos gamma terrestre HESS
• El proyecto del telescopio MAGIC
• El experimento terrestre de rayos gamma VERITAS
• El observatorio espacial INTEGRAL
• La misión Swift de la NASA para detectar estallidos de rayos gamma.
• Satélite HETE-2 de la NASA. Archivado el 13 de noviembre de 2011 en Wayback Machine .
• TeVCat , un catálogo de fuentes de rayos gamma de TeV.
• GammaLib , archivado el 1 de mayo de 2010 en la Wayback Machine , es una caja de herramientas versátil para el análisis de alto nivel de datos astronómicos de rayos gamma.
• TÁCTICO , astronomía de rayos gamma de 1-10 TeV en India.