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En el corazón de México, en el Parque Nacional Pico de Orizaba, en las faldas del volcán extinto Sierra Negra, a una altitud de 4100 metros, se encuentra un observatorio muy especial conocido como The High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory, o HAWC en corto (Figura 1). A diferencia de observatorios «clásicos» con espejo y cúpulas, HAWC consta de 300 contenedores gigantes metálicos. Cada uno de ellos está lleno hasta el tope con 188.000 litros de agua extremadamente limpia, y en su parte inferior se ubican cuatro fotomultiplicadores, que son detectores altamente sensibles. Esto es importante, porque los científicos usan estos detectores para capturar destellos de luz de muy corta duración, que son el resultado de la radiación de Cherenkov, la cual se produce en los contenedores debido a los rayos cósmicos atmosféricas extremadamente rápidos. Con este observatorio, los científicos investigan tanto la radiación electromagnética gama, con longitudes de onda inferiores a una centésima de nanómetro, como los rayos cósmicos galácticos y extragalácticos con energías entre 100 GeV y 50 TeV. Sin embargo, aunque HAWC estudia el universo a través de rayos gamma y rayos cósmicos (extra)galácticos, este observatorio jamás detectará directamente ninguno de ellos.
Figura 1. Vista del observatorio HAWC. En el fondo se puede ver ma montaña más alta de México, Pico de Orizaba. Fuente: HAWC.
Lo que «ven» HAWC y observatorios similares
La radiación gamma cuyas energías superan unos 1010 eV, procede de fuentes lejanas. Entre ellos se encuentran supernovas, hipernovas, púlsares y blázares. Por otro lado, los rayos cósmicos (extra)galácticos son en su mayoría electrones y núcleos atómicos, siendo los protones los más predominantes. Estas partículas viajan a enormes velocidades por el espacio con energías que van de 1010 a 1020 eV. Sus fuentes más comunes son supernovas y núcleos activos de galaxias.
Aproximadamente 100.000 rayos cósmicos alcanzan cada segundo cada metro cuadrado de la atmósfera terrestre, sin embargo solo pocas excepciones alcanzan la superficie de nuestro planeta. La gran mayoría de ellos colisionan con átomos de nitrógeno y oxígeno en las capas superiores de la atmósfera, generando una multitud de partículas cósmicas secundarias o atmosféricas, que se conocen como «chubascos» («shower» en inglés, ver Figura 2, izquierda). El flujo de los rayos cósmicos atmosféricas es más intenso a una altitud de unos 15 kilómetros sobre el nivel del mar y, a una altitud de 3,000 metros, es aproximadamente diez veces mayor que al nivel del mar. En promedio, cada segundo, cada metro cuadrado de la superficie de la Tierra es alcanzado por hasta ocho chubascos de rayos cósmicos secundarios.
Cuando un chubasco de este tipo llega a HAWC o a un observatorio similar, los detectores individuales detectan la radiación de Cherenkov en momentos ligeramente diferentes. La figura 2 a la derecha ilustra un evento detectado por HAWC. Los puntos de diferentes colores representan la ubicación de los detectores en cada uno de los contenedores de agua. Los colores indican la diferencia de tiempo en relación con un punto de referencia establecido como 0. Los detectores marcados en color violeta detectaron al chubasco primero, mientras que los de color rojo lo hicieron hasta el final. Las diferencias en los tiempos de detección alcanzan algunas decenas de nanosegundos o mil millonésimas de segundo. De esta manera, HAWC puede determinar la dirección desde la cual provino el rayo cósmico primario con una precisión de medio grado sexagesimal.
Figura 2. Izquierda: Una lluvia de partículas cósmicas atmosféricas sobre HAWC. Fuente: Universidad de Rochester. Derecha: Secuencia temporal en la que los diferentes detectores del observatorio HAWC detectaron un único evento. Fuente: HAWC.
La sombra de la Luna y del Sol
La intensidad del flujo de rayos cósmicos galácticos y de la radiación gamma de altas energías depende de la dirección en el cielo. La radiación es más intensa desde el centro de la Galaxia y sus brazos espirales que desde la dirección perpendicular al plano galáctico. Los científicos también han descubierto que la intensidad del flujo de rayos cósmicos o fotones gamma es ligeramente menor si dirigimos nuestra mirada hacia la Luna o el Sol.
La Luna actúa como una barrera que absorbe parte de esta radiación. Los científicos han denominado «sombra de la Luna» a la falta de de rayos cósmicos atmosféricos provenientes desde la dirección de la Luna. Este fenómeno es claramente visible en la Figura 3 a la izquierda, que fue obtenida con el Observatorio de Neutrinos IceCube ubicado en la Antártida. La Figura 3, a la derecha, muestra mediciones de la sombra del Sol realizadas en el Observatorio Tibet Air Shower Array en China.
Figura 3. Izquierda: Sombra de la Luna. Fuente: Observatorio de neutrinos IceCube. Derecha: la sombra del Sol. Fuente: Instituto para la Investigación de Rayos Cósmicos, Universidad de Tokio. Tomada con el observatorio Tibet Air Shower Array.
La sombra del Sol es más compleja que la de la Luna debido a que el Sol está tapizado por su propio campo magnético, que puede cambiar la dirección de viaje de las partículas cósmicas eléctricamente cargadas. La configuración del campo magnético del Sol varia a lo largo del ciclo solar. Cuando el Sol se encuentra cerca del mínimo de su actividad, su campo magnético se asemeja al producido por un imán de barra (vea la Figura 4, a la izquierda). Los polos magnéticos sur y norte están claramente definidos, lo que se conoce como configuración dipolar. Cerca del ecuador se encuentran los llamados campos magnéticos cerrados, cuyas líneas de fuerza se extienden varias decenas de miles de kilómetros del Sol, y luego regresan hacia nuestra estrella sumergiéndose nuevamente en su interiorr. En latitudes heliográficas más altas, predominan los campos magnéticos abiertos cuyas líneas de fuerza se extienden lejos hacia la heliosfera. Durante los máximos solares, la configuración dipolar del campo magnético solar desaparece, ya que las regiones de campo magnético solar abierto y cerrado están dispersas por toda la superficie del Sol (Figura 4, derecha). Esto afecta la sombra del Sol.
Figura 4: Un ejemplo del campo magnético solar durante el mínimo solar en diciembre de 2008 (izquierda) y el máximo en diciembre de 2014 (derecha). Fuente: Becker Tjus et al. (2019)
En la Figura 5 podemos ver cómo la sombra del Sol varió durante el Ciclo Solar 23, que duró desde 1996 hasta 2008. La sombra fue más pronunciada en 1996 y 2008, cuando el Sol estaba cerca del mínimo de su actividad y casi desapareció en 2000, cuando la actividad solar alcanzó su máximo. Es obvio que la sombra del Sol está fuertemente influenciada por la presencia de los campos magnéticos abiertos.
Figura 5. Arriba: Número de manchas solares durante el Ciclo Solar 23. Fuente: Centro de Predicción del Clima Espacial de la NOAA. Abajo: La sombra del Sol en 1996 (mínimo solar), 2000 (máximo) y 2008 (mínimo). Fuente: Tibet Air Shower Array.
Los científicos utilizan el observatorio de rayos cósmicos más potente del mundo, HAWC, para recopilar sistemáticamente datos sobre la sombra del Sol y observar cómo cambian sus propiedades a lo largo del ciclo solar. Actualmente, disponen de casi ocho años de datos (de 2016 a 2023), lo que representa más de la mitad del ciclo solar. El objetivo es, por supuesto, monitorear el desarrollo de la sombra del Sol durante todo el ciclo solar. Los investigadores están particularmente interesados en cómo se ven afectadas las características de la sombra en función del tipo y la magnitud del campo magnético predominante en el Sol, así como en la energía de los rayos cósmicos que contribuyen en mayor medida a su formación. Los científicos esperan que en el futuro, los modelos numéricos del campo magnético del Sol, con los que los científicos recrean el campo magnético solar en computadoras (ver Figura 4), utilicen los datos de la sombra del Sol como entrada. De esta manera, la sombra del Sol se convertirá en una herramienta indispensable para la caracterización detallada del campo magnético de nuestra estrella.
Lecturas adicionales para los más curiosos
- The High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory, https://www.hawc-observatory.org/observatory/site.php
- High Altitude Water Cherenkov Experiment, Wikipedija, https://en.wikipedia.org/wiki/High_Altitude_Water_Cherenkov_Experiment
- Gamma-ray astronomy, Wikipedija, https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma-ray_astronomy
- Cosmic Ray, Wikipedija, https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_ray
- The cosmic-ray Moon shadow seen by IceCube, https://icecube.wisc.edu/news/research/2013/05/cosmic-ray-moon-shadow-seen-by-icecube/
- The Sun also casts a shadow on IceCube, https://icecube.wisc.edu/news/research/2018/11/sun-also-casts-shadow-on-icecube/
- NOAA Space Weather Prediction Center, https://www.swpc.noaa.gov/products/solar-cycle-progression
- Becker Tjus, J., Desiati, P., Döpper, N., Fichtner, H., Kleimann, J., Kroll, M. & Tenholt, F. (2019), Cosmic-ray propagation around the Sun: investigating the influence of the solar magnetic field on the cosmic-ray Sun shadow, Astronomy & Astrophysics, 633, A83, 18, https://doi.org/10.1051/0004-6361/201936306.
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