Mil millones de rayos gamma detectados por Fermi

El telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA,  observa el universo visible en rayos gamma, la forma más enérgica de luz, proporcionando vistas revolucionarias del universo más extremo.

El pasado 12 de abril, uno de los instrumentos del observatorio espacial, el Telescopio de Área Grande (LAT), concebido y ensamblado en el National Accelerator Laboratory SLAC del Departamento de Energía, operado en la Universidad de Stanford, California, obtuvo el hito histórico con su detección 1.000.000.000 (mil millones) de rayos gamma extraterrestres.

Esta animación sigue varios rayos gamma a través del espacio, desde su emisión en el chorro de un blazar distante hasta su llegada al Telescopio de Gran Área de Fermi (LAT).

Los rayos gamma se producen a menudo en procesos violentos y su observación arroja luz sobre ambientes cósmicos extremos, como explosiones de Supernova, chorros de partículas de alta velocidad arrojados por agujeros negros supermasivos y estrellas de neutrones ultradensas girando inimaginablemente rápido. Los rayos gamma también podrían ser señales reveladoras de partículas de materia oscura, componentes hipotéticos de la materia oscura invisible, que representaría el 85 por ciento de toda la materia en el universo.

“Desde el lanzamiento del observatorio Fermi en 2008, el instrumento LAT ha realizado importantes descubrimientos de emisiones de rayos gamma de fuentes exóticas en nuestra galaxia y más allá”, dice Robert Cameron, jefe del Centro de Operaciones Científicas de Instrumentos de LAT (ISOC) en SLAC.

El LAT ya ha recolectado cientos de veces más rayos gamma que su antecesor, el instrumento EGRET de generación anterior instalado en el satélite Compton Gamma-Ray Observatory (GRO) de la NASA, un avance que ha profundizado en la comprensión de la producción de esta radiación altamente energética.

Imagen: El cielo en rayos gamma. Aquí podemos ver la diferencia de los mapas de todo el cielo del instrumento LAT (izquierda) en el Telescopio Espacial de Rayos Gamma de Fermi actualmente y su antecesor el instrumento EGRET (derecha) en el Observatorio de Rayos Gamma Compton. Los datos obtenidos por el instrumento LAT (izquierda) revelan mucho más detalle. (NASA)

 

El observatorio espacial COMPTON-GRO de la NASA, estuvo operando desde Abril de 1991 hasta junio de 2000 equipado con varios instrumentos para detectar estas emisiones de alta energía, entre ellos el instrumento EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope) con rango de detección entre 20 MeV y 30 GeV. El LAT (Large Area Telescope) es actualmente el principal instrumento científico de la nave espacial a bordo de Fermi, cubre el rango de energía de aproximadamente 20 MeV a más de 300 GeV. Estos rayos gamma se emiten sólo en las condiciones más extremas, por partículas que se mueven muy cerca a la velocidad de la luz. El campo de visión del LAT cubre aproximadamente el 20% del cielo en cualquier momento, y escanea continuamente, cubriendo el cielo entero cada tres horas.

Despliegue del observatorio COMPTON-GRO a bordo del Atlantis STS-37 el 7 de abril de 1991. En la imagen también el Astronauta Jay Apt, de la NASA.

 

 

El telescopio espacial Fermi en Cabo Cañaveral en 2008, previo a su lanzamiento el 11 de Junio de 2008. Crédito: NASA/Jim Grossmann.

 

Entre los descubrimientos de LAT se encuentran más de 200 púlsares: núcleos de estrella colapsada que giran rápidamente y se magnetizan hasta 30 veces más que el sol. Antes del lanzamiento de Fermi, sólo siete de estos objetos eran conocidos por emitir rayos gamma. A medida que los púlsares giran alrededor de su eje, emiten chorros de rayos gamma como faros cósmicos. Muchos púlsares giran varios cientos de veces por segundo, es decir, decenas de millones de veces más rápido que la rotación de la Tierra.

“El entendimiento de los púlsares nos habla de la evolución de las estrellas porque son un posible punto y final en la vida de una estrella”, dice Cameron. “Los datos de LAT nos han llevado a revisar totalmente nuestra comprensión de cómo los púlsares emiten rayos gamma.”

En  nueve años en el espacio, la LAT ha descubierto más de 200 pulsares – estrellas de neutrones de alta velocidad, muy densas y altamente magnetizadas que emiten “rayos” de rayos gamma como faros cósmicos. Muchos de estos pulsares giran alrededor de su eje hasta varios cientos de veces por segundo. La imagen de fondo muestra el centro de la Vía Láctea según lo visto por el observatorio de rayos X Chandra de la NASA. (NASA / CXC / Universidad de Massachusetts / D. Wang y otros, Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory).

LAT también ha demostrado por primera vez que las explosiones nova, explosiones termonucleares en la superficie de estrellas que han acumulado material de estrellas vecinas, también pueden emitir rayos gamma. Estos datos proporcionan nuevos detalles sobre la física de la quema de estrellas, que es un proceso crucial para la síntesis de elementos químicos en el universo.

Las fuentes de rayos gamma más exóticas detectadas por el LAT son microquasares. Estos objetos son análogos de estrella de núcleos galácticos activos, con el gas girando alrededor de un agujero negro en el centro. A medida que el agujero negro devora la materia de su entorno, expulsa chorros de partículas cargadas que viajan casi tan rápido como la luz hacia el espacio, generando rayos gamma en el proceso.

A escala galáctica, tal mecanismo de eyección podría haber producido lo que se conoce como las burbujas de Fermi, dos áreas gigantes por encima y por debajo del centro del disco de nuestra galaxia que brillan en rayos gamma. Descubiertas por LAT en 2010, estas burbujas sugieren que el agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia fue una vez más activo de lo que es hoy.

Representación artística de las burbujas de Fermi. Dos áreas gigantes de emisión de rayos gamma (púrpura) por encima y por debajo del plano de la Vía Láctea que fueron descubiertas por el LAT. (NASA).

Los investigadores también utilizan el LAT para buscar signos de partículas de materia oscura en las regiones centrales de la Vía Láctea y otras galaxias. Las teorías predicen que las partículas hipotéticas producirían rayos gamma cuando se desintegran o chocan y se destruyen entre sí.

“Con la sensibilidad que hemos logrado con el LAT, en principio deberíamos ser capaces de ver tales firmas de materia oscura”, dice Seth Digel de SLAC, quien lidera el grupo Fermi en el Instituto Kavli para Astrofísica y Cosmología de Partículas (KIPAC) Instituto de la Universidad de Stanford y SLAC. “Pero aún no hemos encontrado señales concluyentes, y hasta ahora los datos de LAT también pueden explicarse con otras fuentes astrofísicas”.

Finalmente, el LAT ha explorado fuentes de rayos gamma más cercanas a su hogar, incluyendo rayos gamma producidos por tormentas en la atmósfera terrestre, por fulguraciones solares e incluso por partículas cargadas que golpean la superficie de la Luna.

Esta imagen muestra la luna en rayos gamma. Utilizando los datos acumulados durante los primeros siete años de la misión Fermi. (Colaboración NAS / DOE / Fermi LAT)

Desde su ubicación, Fermi a una altitud de 531 Kilómetros, LAT ve el 20 por ciento del cielo en un momento dado. Cada dos órbitas (cada una necesita alrededor de 95 minutos) el instrumento recoge los datos necesarios para un mapa de rayos gamma de todo el cielo.

Pero identificar las señales correctas para el mapa es un poco como encontrar agujas en un pajar. Para cada fotón de rayos gamma, LAT ve muchas más partículas cargadas de alta energía, llamadas rayos cósmicos. La mayoría de estas señales de fondo son rechazadas de inmediato por los disparadores de hardware y filtros de software en el LAT, que reduce la tasa de señales de 10.000 a 400 por segundo.

Los datos restantes se comprimen, se transmiten a la Tierra y se envían al Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, donde se separan en tres conjuntos de datos diferentes para el LAT, el GBM (el segundo instrumento científico de Fermi que monitorea las ráfagas de ráyos Gamma) y datos de naves espaciales.

Los datos LAT se transfieren al LAT ISOC en SLAC, donde 1.000 núcleos de computadora analizan automáticamente el flujo de datos y filtran aún más señales de fondo. El 70 por ciento de todos los rayos gamma detectados son de la atmósfera de la Tierra, dejando sólo dos o tres señales extraterrestres de rayos gamma por segundo de los 10.000 eventos detectores iniciales. Estos datos son luego enviados de vuelta a la NASA Goddard, donde se hacen públicos para su posterior análisis.

“El ISOC recibe alrededor de 15 entregas de datos LAT a lo largo del día para un total de 16 gigabytes o tres DVDs de datos cada día”, dice Cameron. “Para cada entrega, el proceso entero – desde el momento en que los datos dejan Fermi hasta el momento en que los rayos gamma se depositan en el archivo público – toma unas cuatro horas”.

Representación artística del telescopio Fermi en órbita. (NASA).

El próximo año, la misión de Fermi alcanzará su meta de 10 años de operaciones. Lo que ocurra después de eso dependerá en gran medida de la financiación.

“Sin una misión sucesora planificada, la LAT es en muchos aspectos insustituible, especialmente para estudios de rayos gamma de baja energía”, dice Digel. “El telescopio sigue siendo fuerte después de todos estos años, y todavía queda mucho por hacer”.

Un nuevo papel importante para el LAT es la búsqueda de fuentes de rayos gamma asociadas con los eventos de onda gravitacional. Estas ondulaciones en el espacio-tiempo ocurren, por ejemplo, cuando dos agujeros negros se combinan en uno solo, como lo observó recientemente el detector LIGO.

El LAT ISOC es un departamento de KIPAC y la División de Astrofísica y Cosmología de Partículas de SLAC. Los investigadores de KIPAC contribuyen a la colaboración internacional de Fermi LAT, cuya investigación está financiada por la NASA y la Oficina de Ciencia del DOE, así como por agencias e institutos en Francia, Italia, Japón y Suecia.

Este vídeo de 2013 habla de la misión de Fermi, la más avanzada para ver el cielo en rayos gamma:

                                 

 

Fuentes:

http://www.stanford.edu/

https://www-glast.stanford.edu/

https://www6.slac.stanford.edu/news/2017-05-10-fermi-satellite-observes-billionth-gamma-ray-lat-instrument.aspx

 

 

 

 

 

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