El aire sobre tu cabeza está vivo con duchas invisibles. Las poderosas partículas del espacio golpean constantemente la atmósfera sobre usted, generando una cascada subatómica que se dispara hacia abajo a una velocidad cercana a la de la luz. Averiguar dónde se originan estas lluvias y lo que nos dicen sobre el universo es el trabajo del observatorio High-Altitude Water Cherenkov (HAWC), un telescopio que consta de 300 tanques gigantes de agua purificada colocados cerca de la cumbre del volcán Sierra Negra en México.
El objetivo de HAWC es encontrar los fenómenos de mayor energía en el cosmos; incluidas estrellas exóticas, agujeros negros supermasivos y materia oscura aniquiladora. Fenómenos como estos producen rayos gamma, fotones con más de un billón de veces la energía de la luz óptica con la que vemos y rayos cósmicos, núcleos atómicos cargados con energías hasta siete veces mayores que los protones aplastados en el Gran Colisionador de Hadrones. Los orígenes de ambos permanecen envueltos en muchos misterios, por lo que HAWC monitorea constantemente una gran parte del cielo con la esperanza de desentrañar algunos.
Cuando una partícula de energía ultraalta entra en la atmósfera de la Tierra y se estrella contra una molécula de aire, la reacción resultante produce nuevas partículas subatómicas. Cada uno de estos contiene una energía tremenda y, por lo tanto, continúan rompiendo, reaccionando y produciendo más partículas en una avalancha cada vez más amplia que termina extendiéndose en un círculo de aproximadamente 100 metros de diámetro cuando llega al suelo. Esta lluvia de partículas pasa a través de los tanques del telescopio viajando más rápido que la velocidad de la luz en el agua (que es aproximadamente tres cuartos de su velocidad en el vacío), creando el equivalente óptico de una explosión sónica: un estallido de luz ultravioleta conocida como radiación Cherenkov. Al caracterizar exactamente cómo y cuándo las partículas encuentran la matriz de tanques de agua purificada, los investigadores pueden determinar en qué parte del cielo se encuentra la fuente.
Aproximadamente 20, 000 de estas lluvias se registran cada segundo en HAWC, pero casi todas son rayos cósmicos, no gamma. Debido a que los rayos cósmicos están cargados, su trayectoria de vuelo a través del universo se ve alterada por los campos magnéticos, lo que significa que no se pueden determinar sus puntos de origen. Los rayos gamma son mucho más raros (HAWC ve alrededor de 1, 000 de estos al día), pero apuntan en línea recta de regreso a sus fuentes. Los telescopios de rayos gamma anteriores generalmente debían apuntar a puntos específicos en el cielo, a menudo solo después de que los investigadores han sido alertados de algunos fenómenos de alta energía que ocurren allí. Debido a que HAWC mira hacia el universo en todo momento, tiene una mejor oportunidad de detectar estos destellos raros.
Completado en marzo de 2015, el observatorio lanzó recientemente su primer año de datos: un mapa del cielo que revela unas 40 fuentes súper brillantes, muchas de ellas dentro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. "Estas no son estrellas comunes", dijo la física Brenda Dingus del Laboratorio Nacional de Los Alamos, portavoz de HAWC.
La mayoría son restos de supernova, las secuelas de la poderosa explosión que ocurre durante la muerte de una estrella gigante. A medida que las ondas de choque de estas explosiones se expanden hacia afuera, chocan contra el gas y el polvo circundantes a altas velocidades, generando radiación gamma, un proceso que puede continuar durante miles de años. El equipo de HAWC espera descubrir los restos de supernova en varias etapas de su evolución y combinar sus datos con los datos de otros telescopios que trabajan en diferentes longitudes de onda para descubrir los detalles de este complejo proceso. Debido a que los remanentes de supernova tienen campos magnéticos potentes, atrapan y aceleran las partículas cargadas, creando rayos cósmicos. Se cree que la mayoría de los rayos cósmicos que vemos se originan en esos lugares, pero también pueden ser producidos por púlsares (estrellas de neutrones súper densas que giran rápidamente y emiten un haz de radiación) y agujeros negros que orbitan entre sí. HAWC ayudará a los investigadores a determinar la potencia de salida total de todos estos diferentes aceleradores de partículas cósmicas.
Los datos de HAWC también contienen varios objetos brillantes que están fuera de la galaxia. Debido a que están muy lejos, estas fuentes deben brillar como reflectores en el universo. Algunos son núcleos galácticos activos, galaxias jóvenes cuyo agujero negro supermasivo central se está deleitando con un enorme exceso de gas y polvo. A medida que la materia gira alrededor del agujero negro, se calienta, liberando colosales chorros de radiación. HAWC ha visto estas estructuras estallar periódicamente, pero se desconoce exactamente por qué ocurre esto.
El observatorio también espera detectar explosiones de rayos gamma, los fenómenos más enérgicos del universo conocido. Se cree que ocurre cuando una estrella supermasiva se derrumba en un agujero negro, estas explosiones liberan la misma cantidad de energía en unos segundos que nuestro sol lo hará en el transcurso de toda su vida. Debido a que son tan transitorios, ha sido difícil para los científicos estudiarlos, pero se espera que HAWC, que observa constantemente el cielo, vea al menos un par por año.
Luego están las cosas verdaderamente revolucionarias que HAWC podría observar potencialmente. "La materia oscura sería la cosa más genial de encontrar", dijo Dingus.
Si bien los científicos pueden ver los efectos gravitacionales de este extraño material en el universo, la materia oscura no produce radiación electromagnética y, por lo tanto, no aparece en los telescopios ordinarios. Pero algunos teóricos especulan que las partículas de materia oscura podrían chocar entre sí y aniquilarse, un proceso que debería generar rayos gamma. En lugares como las galaxias esferoidales enanas, que están hechas casi por completo de materia oscura, esta aniquilación debería estar ocurriendo constantemente. Hasta ahora, nadie ha visto una radiación gamma significativa proveniente de estas débiles y pequeñas galaxias, pero se están descubriendo nuevas todo el tiempo, lo que aumenta la posibilidad de descubrir finalmente uno de los mayores misterios de la astronomía.
Cuanto más tiempo mira HAWC al universo, más profundas y detalladas serán sus observaciones. La ejecución inicial del observatorio está programada para finalizar en 2020. "Pero si vemos algo genial, tal vez correremos por más tiempo", dijo Dingus.
