Prototipo para el Large Size Telescope (LST) del Cherenkov

 Prototipo para el Large Size Telescope (LST) del Cherenkov Telescope Array (CTA) Introducción La astrofísica de rayos gamma de muy alta energía es uno de los pilares de la física de astropartículas y la última ventana al cosmos que se ha abierto en la astrofísica moderna. Proporciona información complementaria a la obtenida en otras longitudes de onda en la que se lleva mucho tiempo observando. Hay que estudiarlos de forma sistemática, tal y como se ha hecho tradicionalmente en el visible, y luego en radio, infrarrojo, ultravioleta y rayos X. Muestran el universo más “violento”, es decir los procesos físicos que generan más energía. Aunque lo ideal es estudiar esta radiación desde el espacio por ser la atmósfera terrestre opaca a la misma, cuando se observa a muy altas energías la cantidad de fotones recibidos es muy baja, por lo que deberíamos utilizar satélites gigantescos que, hoy por hoy, son inviables. Entre las técnicas que se han ensayado en los últimos cincuenta años para solucionar este problema, los telescopios Cherenkov han demostrado ser los instrumentos más eficaces para efectuar observaciones astronómicas en este rango. Tras los instrumentos pioneros Whipple y HEGRA, la generación de telescopios Cherenkov que está ahora en funcionamiento, formada por los H.E.S.S., VERITAS y MAGIC, ha descubierto más de 150 fuentes de rayos gamma, demostrando el potencial científico de esta técnica. Este potencial podrá desarrollarse al máximo mediante una nueva gran infraestructura científica denominada Cherenkov Telescope Array (“Red de Telescopios Cherenkov” o CTA). Los LST (Large Size Telescopes) son los telescopios de mayor tamaño que formarán la red y el que se instalará ahora en el Observatorio del Roque de los Muchachos (ORM, en la isla de La Palma, Islas Canarias) es el prototipo de los mismos para el CTA y podría devenir el primero de la red CTA si las negociaciones entre España y CTA llegan a buen puerto. El diseño del LST se ha inspirado en el de los telescopios MAGIC, que llevan diez años en funcionamiento en el ORM. Ese lugar está ligado históricamente al nacimiento de la astrofísica de rayos gamma con la red de telescopios HEGRA. La ubicación del prototipo en el ORM se beneficiará de poder utilizar los telescopios MAGIC para su calibración, lo que es muy importante en este tipo de instrumentos. 1 CTA: Cherenkov Telescope Array El Cherenkov Telescope Array (CTA) es un proyecto en el que participa toda la comunidad de rayos gamma de muy alta energía: un contingente de unos 1300 científicos e ingenieros de 31 países de los cinco continentes. CTA está incluido con alta prioridad en las hojas de ruta europeas ESFRI -­‐ European Strategy Forum on Research Infrastructures (Unión Europea), de APPEC -­‐ Astroparticle Physics European Consortium (Astropartículas) y de Astronet (Astrofísica); así como en las de todos los países del mundo que investigan en astrofísica de rayos gamma. Representación artística de los cuatro telescopios gigantes propuestos para CTA-­‐Norte Créditos: IFAE, Consorcio CTA CTA tiene como objetivos científicos principales el estudio de: • Los fenómenos más violentos del Universo, como la aceleración de rayos cósmicos en explosiones de supernovas, así como en procesos de acreción en objetos galácticos y extragalácticos. • Los ambientes más extremos del Universo, como núcleos activos de galaxias, las estrellas de neutrones y los agujeros negros. • Los límites de las leyes fundamentales de la Física, intentando entender la estructura del espacio-­‐tiempo postulada por la gravedad cuántica y la naturaleza de la materia oscura. 2 CTA constará de dos observatorios, uno en el hemisferio norte y otro en el sur, que cubrirán así todo el cielo. Pretende abarcar un amplio rango de energías en el espectro electromagnético, con valores comprendidos entre decenas de Giga-­‐electronvoltios (GeV) y centenares de Tera-­‐electronvoltios (TeV), y una sensibilidad diez veces superior a la generación de telescopios actuales. Esto se consigue mediante la combinación de telescopios Cherenkov de distintos tamaños: unos pocos “Large Size Telescopes” (LST, con espejos de 23 metros de diámetro), pocas decenas de “Medium Size Telescopes” (MST, con espejos de 12 m) y unos cincuenta “Small Size Telescopes” (SST, con espejos de unos 6 m). Ambos observatorios, norte y sur, estarán equipados con LST y MST, pero sólo el sur estará equipado con SST, porque los estudios en las energías que cubren estos telescopios se centran sobre todo en fuentes galácticas y éstas se observan mejor desde el sur. El observatorio del norte hará la mayor parte de la física extragaláctica. Estos observatorios estarán abiertos a toda la comunidad científica mundial y operarán como mínimo durante los próximos treinta años. El papel de España en la astrofísica gamma de muy alta energía La astrofísica de rayos gamma de muy alta energía está históricamente muy ligada a España y en especial al Observatorio del Roque de los Muchachos en la isla de La Palma. Es allí donde alemanes y españoles construyeron los telescopios HEGRA, la primera red de telescopios Cherenkov. Allí se instalaron también los dos telescopios MAGIC de 17 metros de diámetro. Los telescopios MAGIC, que están actualmente en funcionamiento, fueron construidos y están siendo operados por una colaboración cuyos actores principales son España, Alemania e Italia. Telecopio MAGIC II Créditos: Pablo Bonet/IAC 3 MAGIC consiguió por primera vez llegar a energías inferiores de 100 GeV desde tierra (hasta entonces sólo se había podido hacer con satélites), ha logrado resultados científicos de alto impacto y su diseño ha inspirado el de los LST de CTA. Con el apoyo de MICINN (Ministerio de Ciencia e Innovación, con el Gobierno anterior) y MINECO (Ministerio de Economía y Competitividad, con el Gobierno actual), la comunidad española jugó un papel clave en la concepción inicial de CTA en 2006 y lleva años participando activamente en el diseño de los telescopios LST y MST. También ha sido fundamental durante los últimos años el apoyo del Gobierno de Canarias, así como el de los Cabildos Insulares de Tenerife y La Palma. En este momento unos cien investigadores españoles de ocho instituciones -­‐ Centro de Investigaciones Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), Institut de Física d’Altes Energies (IFAE-­‐BIST), Institut de Ciències de l’Espai (ICE-­‐CSIC-­‐IEEC), Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Universidad Complutense de Madrid (UCM), Universitat de Barcelona (UB) y Universidad de Jaén (UJA) -­‐ forman parte del consorcio CTA. La participación española es clave para la estructura mecánica de los LST, para la mecánica y la electrónica de la cámara de los LST, para la electrónica de la cámara de los MST, así como para el software de análisis y simulación de todos los telescopios. El prototipo del LST Los Large Size Telescopes (LST) suponen posiblemente el mayor desafío tecnológico de CTA. Este tipo de telescopios no sólo están equipados con un espejo inmenso -­‐de 23 metros de diámetro-­‐, sino que deben moverse a gran velocidad para perseguir la efímera emisión de los estallidos de rayos gamma (GRB, Gamma Ray Bursts), llamaradas de rayos gamma que duran sólo unos segundos. Por esto, sus componentes han sido diseñados para ser muy ligeros. El soporte del espejo, por ejemplo, es una estructura hueca de tubos de fibra de carbono de sólo unas cincuenta toneladas de peso. 4 Modelo del LST Créditos: MERO-­‐TSK, International Con un diseño tan innovador, es esencial la construcción de un telescopio prototipo. Hace un año, dado que los emplazamientos finales de CTA no estaban escogidos, el equipo del LST decidió instalar el telescopio prototipo en el Roque de los Muchachos, con el visto bueno de la colaboración CTA. La presencia de los telescopios MAGIC en el mismo observatorio permitirá comparar los datos obtenidos con el prototipo del LST con los procedentes de dos telescopios de dimensiones y diseño parecidos, que trabajan en rangos de energía similares, lo que supone una gran ventaja para su calibración. La construcción de todos los componentes del prototipo del LST está ya muy avanzada y la obra civil en el observatorio empezará este invierno. Si finalmente el Roque de los Muchachos acoge el observatorio CTA-­‐Norte, la idea es que el prototipo se convierta en el primer LST en operación y en el primer telescopio de CTA. El proyecto está dirigido por el Prof. Masahiro Teshima (Investigador Principal, miembro del ICRR de Tokio y director del MPI de física de Munich) y el Dr. Juan Cortina (co-­‐Investigador Principal, miembro del IFAE, Institut de Físiques d’Altes Energies, de Barcelona). El equipo del LST está constituido por unos 150 físicos e ingenieros pertenecientes a grupos de Japón, Alemania, España, Francia, Italia y, en menor medida, India, Suecia, Brasil y Croacia. En España, el país con más peso en el LST junto con Japón y Alemania, participan el Centro de Investigaciones Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Institut de Ciencies de l’Espai (ICE-­‐CSIC-­‐IEEC), el Institut de Ciencies del Cosmos (ICC-­‐UB), Institut de Física d’Altes Energies (IFAE-­‐BIST) y la Universidad Complutense de Madrid (Grupo de Altas Energías, UCM-­‐GAE, y Electrónica, UCM-­‐ELEC). 5 El Observatorio del Roque de los Muchachos: candidato a albergar CTA-­‐Norte El éxito de los telescopios HEGRA y MAGIC ha demostrado que los observatorios de Canarias son lugares privilegiados para la astrofísica Cherenkov. Por esto el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) propuso los observatorios del Teide y del Roque de los Muchachos como sede de CTA-­‐Norte en una competición internacional para albergar los observatorios de CTA. Vista general del Observatorio del Roque de los Muchachos (ORM) Créditos: Pablo Bonet/IAC Tras una larga campaña de caracterización y el examen de un comité independiente de expertos, el “Resource Board” de CTA (el comité que representa a las agencias financiadoras de CTA) eligió el pasado mes de julio el Roque de los Muchachos como candidato principal para el observatorio norte. Las negociaciones finales están en marcha y el acuerdo definitivo entre el IAC y CTA podría cerrarse antes de fin de año. Se espera que la red de telescopios del norte se construya durante los próximos cinco años y conste de cuatro LST, quince MST y varios edificios de operación y mantenimiento. De instalarse en Canarias, contaría con el apoyo de las instalaciones del IAC en La Palma y en Tenerife. La presencia de CTA-­‐Norte supondría la confirmación del Roque de los Muchachos como un observatorio líder mundial. CTA sería la única gran infraestructura científica ubicada en España de la prestigiosa hoja de ruta ESFRI (European Strategy Forum on Research Infrastructures). El observatorio agrupa telescopios punteros de ámbito mundial tanto en astronomía óptica e infrarroja, como en rayos gamma de muy alta energía. 6 Los rayos gamma y el efecto Cherenkov El espectro electromagnético contiene distintas “ventanas” al Universo: desde las bajas energías en radio, infrarrojo, visible (el que perciben nuestros ojos), hasta el ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma, que son interceptados por la atmósfera terrestre por lo que se necesita saltar esta “barrera” con satélites. Los rayos gamma de muy alta energía, sin embargo, se estudian desde el suelo. La razón es que la distribución energética sigue una ley de potencias: a más energía, menos fotones. Debido a la pobre presencia de fotones, observar los rayos gamma desde el espacio es tecnológica y económicamente imposible. El espectro electromagnético desde las ondas de radio hasta los rayos gamma. Los telescopios Cherenkov utilizan la atmósfera de la Tierra como telescopio: no se detectan directamente los rayos gamma que llegan sino los efectos que estos producen en el interior de la atmósfera. Un rayo gamma al interaccionar con la capa alta de la atmósfera se descompone, fundamentalmente en electrones y fotones, creando lo que se conoce como cascada electromagnética: los electrones y fotones al descender interaccionan con otras partículas descomponiéndose de nuevo y así sucesivamente. Algunas de estas partículas llegan a unos diez kilómetros de la superficie terrestre con una velocidad mayor a la velocidad de la luz en la atmósfera. En estos casos, se da un destello de luz muy brillante y breve, del orden de los nanosegundos: es el efecto Cherenkov. Al ser azulado, es visible para nuestros ojos, pero su velocidad de respuesta no es lo bastante alta. Si nuestros ojos leyeran a la velocidad del orden del nanosegundo (mil millonésimas de segundo), estaríamos “iluminados”, saturados de luz. 7 El efecto Cherenkov y MAGIC I Créditos: Colaboración MAGIC Los telescopios Cherenkov detectan el cono de luz que llega hasta la Tierra y a partir de él intentan inferir qué tipo de fotón gamma originó la cascada, de qué dirección viene y su energía. Para lograrlo, trabajan “en colaboración”. Hay que imaginar que un cono de luz que se forma a 10 km de altura da un radio de unos 120 metros en la superficie terrestre. Varios telescopios permiten discernir de dónde llegó el fotón (al registrar las imágenes en forma de “elipses” que se forman con orientaciones distintas en cada uno de los telescopios). Utilizan fotomultiplicadores como detectores que permiten inferir la energía original del fotón según la cantidad de luz recibida y su distribución espacial. Se comportan en cierto modo como espectrógrafos: no sólo dan la posición de la imagen, también la distribución de energía. 8 Instituciones de la colaboración LST ICRR, University of Tokyo, Japan Centro Brasileiro de Pesquisas Fisicas, Brazil CTA-­‐Croatia Consortium, Croatia CNRS/LAPP, France MPI for physics, Germany Hamburg University, Germany Saha Institute of Nuclear Physics, India INFN, Italy University of Padova, Italy CTA-­‐Japan Consortium, Japan CIEMAT, Spain ICE-­‐CSIC-­‐IEEC, Spain ICC-­‐UB, Spain IFAE-­‐BIST, Spain UCM, Spain Stockholm University, Sweden Imagen de la placa conmemorativa de la primera piedra del protototipo del LST Créditos: IAC 9