Un elemento fundamental para la cosmología es la cantidad de fotones visibles (del ultravioleta al infrarrojo lejano) que se han emitido alguna vez desde cualquier galaxia que alguna vez haya existido, y desde los inicio del Big Bang, y que siguen moviéndose por el Universo. Conocer la cantidad de fotones emitidos en cada momento de la vida del Universo puede arrojar mucha luz sobre la naturaleza y evolución del mismo. Esto es lo que Alberto Domínguez y otros investigadores describen en un artículo publicado en Astrophysical Journal.
Este baño de fotones que se mueve a través del Universo se denomina luz de fondo extragaláctico (EBL en sus siglas en inglés), y consiste en la radiación acumulada en qel Universo debido a la formación de estrellas, con contribuciones por parte de los núcleos de galaxias activas (AGN en sus siglas en inglés). La EBL es parte de la radiación de fondo extragaláctico difusa (DEBRA, en inglés), que por definición cubre todo el espectro electromagnético, junto con la conocida como radiación de fondo de microondas (CMB), la componente más importante.
Para determinar el perfil de la EBL a lo largo del tiempo, primero había de encontrarse un método para detectar esos fotones, dado que la observación directa es practicamente imposible: sería como detectar la luz de una bombilla en la superficie de la Luna, de día, con el Sol en el cénit.
A los investigadores se le ocurrió una solución: medir la cantidad de la EBL indirectamente mediante la atenuación de los rayos gamma de muy alta energía emitidos por blazars. Los blazar son agujeros negros supermasivos en el centro de galaxias con emisión de jets brillantes, uno de los cuales apunta justo hacia nosotros, como el haz de una linterna. Algunos de los rayos gamma emitidos por un blazar colisionaría con un fotón de la EBL, produciendo dos partículas, un electrón y su antipartícula, un positrón, partícular cargadas que por el efecto isotropizante de los campos magnéticos intergalácticos e interestelares, se pierden irremediablemente. De manera que midiendo cuántos rayos gamma de alta energía de los blazar se han dispersado, puede medirse de manera indirecta cuántos fotones de la EBL de diferentes longitudes de onda a lo largo de la línea de vision del blazar se han extinguido.
Los científicos firmantes del artículo compararon primero medidas del Fermi Gamma Ray Telescope de la NASA, con la intensidad de rayos X medidos por los satélites Chandra, Swift, RXTE y XMM/Newton, así como la radiación de baja energía por otros satélites y observatorios en tierra. De esta manera obtuvieron una estimación de la emisión no atenuada de rayos gamma de muy alta energía.
Posteriormente, compararon estas estimaciones con medidas directs realizadas por telescopios Cherenkov en tierra. Los telescopios Cherenkov funcionan de la siguiente manera: cuando una partícula de alta energía (sea un fotón gamma, un rayo X, un electrón, un hadrón, etc.) alcanza la Tierra, al adentrarse en la atmósfera produce, mediante colisiones con los átomos e iones atmosféricos, toda una cascada de partículas. Estas partículas excitan las partículas atmosféricas, que al desexcitarse emiten fotones en el ultravioleta cercano; a este tipo de fotones se denomina luz Cherenkov. Según se desarrolla la cascada de partículas se produce un frente de luz Cherenkov, que reflejada convenientemente en el primario de los telescopios Cherenkov forman una imagen característica, dependiendo del tipo de particula que originalmente llegó a la atmósfera.
Con este método, los investigadores pudieron obtener una estimación de la cantidad de rayos gamma proveninentes de blazars que habían sido atenuados, y por tanto una estimación de los fotones EBL dispersados. Pero, además, dado que los blazars están a diferentes distancias, y moverse en distancia significa en el Universo moverse en el tiempo, los científicos en realidad han conseguido una evolución de la EBL a lo largo de la vida del Universo.
No obstante, a una determinada distancia los rayos gamma son tan atenuados que nuestros actuales instrumentos no son suficientemente sensibles para detectarlos de manera significativa. Esta distancia se denomina Horizonte Cosmológico de Rayos Gamma, y se suele definir como la distancia a la cual los rayos gamma de una determinada energía han sido atenuados en un factor 1/e. Este horizonte ha sido estimado por los investigadores como la correspondiete a un desplazamiento al rojo de aprox. z=5, que a su vez se corresponde a unos cinco mil millones de años atrás en el tiempo. Esta es la primera determinación estadísticamente significativa del Horizonte Cosmológico de Rayos Gamma.
Ver:
- Detection of the cosmic ?-ray horizon from multiwavelength observations of blazars, A. Domínguez, J. D. Finke, F. Prada, J. R. Primack, F. S. Kitaura, B. Siana, and D. Paneque, 2013 ApJ 770 77 doi:10.1088/0004-637X/770/1/77
- Detection of the cosmic ?-ray horizon from multiwavelength observations of blazars, A. Domínguez, J. D. Finke, F. Prada, J. R. Primack, F. S. Kitaura, B. Siana, and D. Paneque, arXiv:1305.2162v1 [astro-ph.CO],
Nota:
Algunos de los telescopios Cherenkov utilizados en el estudio son los telescopios MAGIC. En el pasado, fui responsable de la simulación por Monte Carlo de cascadas atmosféricas para la determinación de la eficiencia energética y otros parámetros del primer telescopio MAGIC, como parte de la propuesta para la construcción del primer MAGIC. Ahora existen dos telescopios MAGIC en el Observatorio del Roque de los Muchachos de la isla de La Palma, en las Islas Canarias.
Este artículo me trae recuerdos de aquella época: de hecho, uno de los firmantes, David Paneque, fue compañero mío en el Depto. de Física Atómica, Molecular y Nuclear en la Facultad de Ciencias Físicas de la UCM.
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