Nunca te preguntaches como estudan os astrónomos os obxectos do ceo? Ata hai pouco, as observacións facíanse case exclusivamente a través da radiación electromagnética, é dicir, a luz dos telescopios ópticos ou as ondas de radio por radiotelescopios. Nos últimos anos, porén, sumouse un novo factor: os neutrinos, inicialmente detectados só do Sol ou da supernova SN1987A. Hoxe, a investigación avanza cara á chamada astronomía multimensaxeiro, que combina distintos sinais cósmicos: radiación electromagnética, ondas gravitacionais e partículas coma neutrinos ou raios cósmicos. O Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) participa activamente neste campo, para ampliar o abano de sinais cos que explorar o cosmos.
Cada un destes mensaxeiros achega información distinta: ás veces única, ás veces complementaria. A detección de ondas gravitacionais nos últimos dez anos permitiu observar fenómenos invisibles en luz ou partículas, como as fusións de buracos negros. Tamén axuda a coñecer mellor sucesos que si emiten radiación, como as fusións de estrelas de neutróns.
Pero toda investigación avanza cara ao futuro: “Espérase poder observar máis obxectos simultaneamente con radiación electromagnética, ondas gravitacionais e neutrinos”, engade Jaime Álvarez-Muñiz, catedrático de Física Teórica da USC e responsable da área de investigación en astropartículas e física fundamental do IGFAE. Isto constituiría o “evento multimensaxeiro definitivo”, por exemplo, no caso dunha supernova ou doutros fenómenos extragalácticos. Así, sería posible obter unha imaxe moito máis completa da súa natureza e do funcionamento do universo.
Así, Álvarez-Muñiz compara a astronomía multimensaxeiro cunha película: se só vemos a imaxe sen son, entendemos parte da historia; pero se a acompañamos de son, a experiencia é máis rica e a comprensión, moito máis profunda.
Distintos aspectos dun mesmo fenómeno
Este tipo de astronomía permite, en palabras do investigador do IGFAE, “observar distintos aspectos dun mesmo fenómeno físico”. En primeiro lugar, a luz informa principalmente sobre a superficie dos obxectos astrofísicos quentes. En segundo lugar, os neutrinos poden proceder de rexións internas, densas e opacas, das que a luz non pode escapar. E, finalmente, as ondas gravitacionais achegan información sobre a dinámica espazo-tempo e a natureza de obxectos que non emiten luz, como os buracos negros.
Deste xeito, o IGFAE participa en importantes colaboracións internacionais. Un dos fitos máis destacados foi a contribución á primeira detección conxunta de ondas gravitacionais e luz producidas pola fusión de dúas estrelas de neutróns no ano 2017. Este descubrimento marcou o inicio da astronomía de multimensaxeiro, unha nova forma de observar o Universo. “Desafortunadamente, non se detectaron neutrinos nin raios cósmicos coincidentes no tempo”, engade Álvarez-Muñiz. Pero, mesmo esta ausencia de sinal resultou ser de interese.
Outro logro salientable foi a presenza do IGFAE no proxecto LIGO, co obxectivo de mellorar os sistemas de busca de buracos negros moi masivos. Este traballo culminou coa primeira identificación de dous buracos negros de masa intermedia, é dicir, decenas de veces a masa do Sol, dos que se descoñecía a súa existencia. Ao colisionar e fusionarse, deron lugar a outro buraco negro máis masivo, coñecido como GW190521. A partir desta observación, a colaboración LIGO-Virgo-KAGRA (EUA, Italia e Xapón) detectou centos de fusións similares, permitindo caracterizar a poboación destes buracos negros. Ademais, dende o IGFAE obtivéronse resultados propios en ondas gravitacionais: “Fixemos a primeira medida do chamado retroceso gravitacional dun buraco negro“.
Raios cósmicos: como detectar as fontes astrofísicas máis enerxéticas?
Entre os numerosos mensaxeiros cósmicos, os raios cósmicos ofrecen información única sobre as fontes astrofísicas máis enerxéticas e os procesos de aceleración de partículas no seu interior, confinadas por inmensos campos magnéticos. Son partículas subatómicas, na súa maioría protóns e núcleos atómicos, que chegan á Terra dende fontes aínda non identificadas, con enerxías descomunais, ata 100 millóns de veces superiores ás que se poden alcanzar os aceleradores de partículas terrestres.
“A súa orixe é un misterio”, explica Jaime Álvarez-Muñiz. Dende a súa descuberta hai máis de 60 anos, constituíron unha das cuestións centrais da Astrofísica de Partículas. Aínda sen coñecer a súa procedencia, permiten estudar a evolución do Universo: “Poden poñer a proba a existencia de partículas moi masivas que se produciron nos primeiros instantes do Universo e que sobreviven ata hoxe“, engade o físico do IGFAE.
Deste xeito, os raios cósmicos convértense nunha ferramenta fundamental: “Permiten estudar as leis da física a enerxías imposibles de reproducir na Terra coa tecnoloxía actual“. O seu estudo abre unha xanela ao coñecemento dos obxectos máis extremos e violentos do Universo, situados a centos de millóns de anos-luz da Terra.
O Observatorio Pierre Auger, en Malargüe (Mendoza, Arxentina), estuda estes raios de alta enerxía. Cando un penetra na atmosfera, choca co aire e xera unha choiva de partículas que descende ata o chan. Para detectalas, o observatorio ten 1600 tanques cilíndricos de auga pura, do tamaño dun coche pequeno, nunha rede a 1,5 quilómetros de distancia entre si. En conxunto cobren 3000 km2, comparable á illa de Mallorca. Estes detectores recollen parte das partículas da choiva, permitindo determinar a enerxía e a dirección de chegada do raio cósmico. Ademais, nas noites escuras sen lúa, complétanse as observacións con detectores de fluorescencia, capaces de rexistrar tenue luz que a atmosfera emite ao paso da cascada das partículas.
Ondas gravitacionais: como detectar que algo pasa a través de vibracións?
As ondas gravitacionais, invisibles e moi rápidas, estiran e contraen lixeiramente todo o que atopan ao seu paso. Aínda que poida parecer algo catastrófico, dende o punto de vista da astronomía a súa detección supón un fito: “Ábrennos unha fiestra totalmente nova ao universo”, explica o investigador do IGFAE, Juan Calderón Bustillo, tamén membro da colaboración LIGO. Grazas a elas, pódense observar fusións de buracos negros, fenómenos que ata hai pouco eran invisibles para os telescopios tradicionais.
Os observatorios LIGO son os encargados de rexistrar estas vibracións: detectan os estiramentos e compresións que produce o paso dunha onda gravitacional pola Terra. Como sinala Calderón, LIGO é capaz de revelar “algúns dos fenómenos máis violentos do noso Universo”. No futuro, tamén poderían detectar o estoupido final dunha estrela ao morrer, a chamada supernova, ou mesmo os sinais emitidos por estrelas de neutróns con pequenas irregularidades na súa superficie.
Con todo, as ondas gravitacionais por si soas non sempre permiten identificar a orixe exacta do fenómeno. Por iso é fundamental combinar os datos de LIGO coas observacións en luz ou en neutrinos. Se tamén se ve luz, sabemos que o suceso implicou materia, xa que os buracos negros non emiten radiación luminosa.
Un exemplo clave é o sinal GW170817, no que se observaron tanto ondas gravitacionais como luz. Isto confirmou que se trataba da fusión de dúas estrelas de neutróns. Grazas a esa luz, tamén se descubriu que este tipo de colisións crean elementos moi pesados, como ouro e platino. E ao comparar o momento de chegada da luz co das ondas gravitacionais, os científicos puideron demostrar que a gravidade viaxa á mesma velocidade ca luz.
Neutrinos: por que hai máis materia que antimateria?
Segundo José Ángel Hernando Morata, investigador de neutrinos no IGFAE, os neutrinos son “partículas elementais, sen carga eléctrica e que atravesan grandes cantidades de materia sen apenas interactuar”. Chámanse elementais porque non se poden dividir en partículas máis pequenas. Grazas a iso, permiten estudar procesos tan complexos como as reaccións nucleares no interior do Sol, as explosións de supernovas ou mesmo a estrutura máis profunda da materia.
Con todo, son moi difíciles de detectar. “A súa interacción coa materia é extremadamente rara“, explica o antigo investigador do CERN. Por iso, fan falta detectores xigantes e moi sensibles, situados en lugares protexidos da radioactividade ambiental e cósmica. Exemplos destacados son os experimentos como o Hyper-K, no Xapón, a varios quilómetros de profundidade, ou NEXT, situado debaixo das montañas do Pireneo Aragonés. Ambos estudan os neutrinos.
O experimento NEXT desenvólvese no Laboratorio Subterráneo de Canfranc (Huesca). O seu obxectivo é determinar se o neutrino é a súa propia antipartícula mediante a observación dunha desintegración nuclear moi rara dentro dun tanque con 100 quilos de gas Xenón-136. “Axudaría a entender unha das cuestións máis fundamentais do universo: porque hai moita máis materia ca antimateria“, explica Hernando Morata.
Pola súa banda, Hyper-Kamiokande consiste nun enorme tanque cilíndrico de auga, cunha base do tamaño dun campo de fútbol e unha altura de vinte pisos. Segundo o investigador, o seu obxectivo é estudar o comportamento dos neutrinos producidos en reacción nucleares do Sol e nas supernovas, para desvelar as propiedades fundamentais destas misteriosas partículas.
Cal é o papel do IGFAE na astronomía de multimensaxeiro?
Cada un destes mensaxeiros cósmicos cumpre unha función na lectura do Universo. O Instituto Galego de Física de Altas Enerxías é un actor en moitos dos grandes proxectos que fan posible esta astronomía de multimensaxeiro. No ámbito dos raios cósmicos, o IGFAE participou no deseño, construción e posta en marcha do Observatorio Pierre Auger, e segue implicado no mantemento, recollida, análise e interpretación dos datos obtidos.
Tamén forma parte da colaboración LIGO: os investigadores do centro galego traballan na mellora dos sistemas de detección de fusións de buracos negros, desenvolvendo instrumentos máis sensibles e modelos máis precisos sobre a súa orixe e mecanismos de formación. Ademais, dende o propio instituto, crean novos métodos de análise que permiten estudar fenómenos físicos que ata o de agora eran imposibles de medir.
En canto aos neutrinos, unha das partículas máis esquivas, o IGFAE participa nos dous grandes proxectos internacionais. Por unha banda, colabora no deseño tecnolóxico de NEXT, na análise de datos e no desenvolvemento de ferramentas de interpretación dos sinais dos neutrinos. Por outra, calibra os sistemas de detección e participa na análise de datos do Hyper-K.
Deste modo, os investigadores do IGFAE participan activamente neste cambio de paradigma da astronomía, no que a información de diferentes mensaxeiros cósmicos se combina para ofrecer unha visión máis completa do Universo. “Os investigadores do IGFAE desenvolven ferramentas para a identificación destes mensaxeiros”, conclúe Jaime Álvarez.
