Cuatro telescopios de La Palma buscan materia oscura y rayos gamma

La Palma acaba de abrir una nueva ventana hacia la parte más violenta y desconocida del universo. El Observatorio del Roque de los Muchachos cuenta desde este 15 de octubre con cuatro grandes telescopios LST, diseñados para detectar rayos gamma de muy alta energía y seguir fenómenos cósmicos que aparecen, brillan durante segundos o minutos y desaparecen antes de que muchos instrumentos hayan tenido siquiera tiempo de reaccionar.

Entre sus objetivos científicos hay uno especialmente ambicioso: buscar posibles señales relacionadas con la materia oscura, esa materia invisible cuya naturaleza continúa siendo uno de los grandes problemas abiertos de la física. No van a fotografiarla, claro, como quien apunta una cámara hacia una nube. La estrategia consiste en rastrear huellas indirectas que algunas teorías predicen que podrían producir determinadas partículas de materia oscura, entre ellas emisiones de rayos gamma.

La inauguración completa el conjunto de cuatro Large-Sized Telescopes, conocidos como LST, instalado en la vertiente norte del futuro Cherenkov Telescope Array Observatory, el CTAO. Desde la cumbre palmera se estudiarán agujeros negros supermasivos, restos de supernovas, estallidos de rayos gamma y otros escenarios donde la naturaleza lleva las partículas hasta energías difícilmente reproducibles en la Tierra.

Cuatro gigantes que pueden girar hacia el cielo en 20 segundos

A simple vista, los LST no se parecen demasiado a la imagen clásica de un telescopio encerrado bajo una gran cúpula blanca. Cada uno cuenta con un reflector de 23 metros de diámetro, alcanza aproximadamente los 45 metros de altura y ronda las 100 toneladas de peso. Y, pese a semejante tamaño, son sorprendentemente ágiles.

Pueden orientarse hacia prácticamente cualquier región del cielo en unos 20 segundos. Esa velocidad no es un capricho de ingeniería: forma parte esencial de su trabajo. Muchos de los acontecimientos más interesantes del universo son transitorios. Ocurren de golpe. Y cuando pasan, la ventana para observarlos puede ser muy pequeña.

Una explosión cósmica detectada por otro observatorio puede activar una alerta internacional y hacer que los telescopios de La Palma giren inmediatamente hacia esa posición. Cuanto antes lleguen, mayor será la posibilidad de registrar los fotones más energéticos emitidos durante los primeros instantes del fenómeno.

El director del Instituto de Astrofísica de Canarias, Valentín Martínez Pillet, ha destacado precisamente esa capacidad de respuesta. Los cuatro instrumentos pueden funcionar individualmente, aunque su verdadera potencia aparecerá al trabajar coordinados, reconstruyendo con mayor precisión la procedencia y la energía de las señales.

Lo que realmente detectan los telescopios Cherenkov

Los LST no observan los rayos gamma como un telescopio óptico observa una estrella. Esos fotones extremadamente energéticos chocan contra la atmósfera terrestre y generan cascadas de partículas secundarias. Durante una fracción diminuta de segundo aparece una tenue luz azulada conocida como radiación Cherenkov.

Las cámaras ultrarrápidas de los telescopios captan esos destellos. A partir de su forma, intensidad y dirección, los científicos pueden reconstruir aproximadamente qué ocurrió y de dónde procedía el rayo gamma original. Es una especie de investigación forense del cielo: el protagonista ha desaparecido, pero ha dejado huellas en la atmósfera.

Los LST están especialmente pensados para trabajar en la zona de menor energía del futuro CTAO, con un umbral previsto cercano a los 20 gigaelectronvoltios. Esto permitirá enlazar observaciones realizadas desde tierra con las de satélites espaciales y seguir fuentes cósmicas muy lejanas que hasta hace poco estaban fuera del alcance de este tipo de instrumentos.

La materia oscura entra en el punto de mira

La materia oscura no emite, refleja ni absorbe luz de la forma habitual, pero sabemos que algo ejerce una enorme influencia gravitatoria sobre galaxias y grandes estructuras del cosmos. El problema viene después: nadie sabe todavía de qué está hecha.

Una de las posibilidades estudiadas por los físicos plantea que ciertas partículas candidatas a formar la materia oscura podrían aniquilarse entre sí y producir, entre otros resultados, rayos gamma. Si esa hipótesis fuera correcta, regiones con grandes concentraciones de materia oscura podrían mostrar una señal característica.

Por eso el centro de la Vía Láctea figura entre los lugares especialmente interesantes para este tipo de investigaciones. Encontrar una emisión compatible no equivaldría automáticamente a resolver el misterio —la física rara vez concede semejantes atajos—, pero permitiría acotar modelos y descartar alternativas.

Masahiro Teshima, responsable científico de la colaboración LST, ha situado esta búsqueda junto al estudio de agujeros negros supermasivos, restos de estrellas explotadas y objetos capaces de acelerar partículas hasta energías extremas. El mismo instrumento sirve, por tanto, para explorar astrofísica y física fundamental.

Rayos gamma, neutrinos y ondas gravitacionales

El premio Nobel de Física Takaaki Kajita, reconocido en 2015 por su trabajo sobre las oscilaciones de los neutrinos, ha destacado en La Palma otra de las grandes posibilidades abiertas por los nuevos telescopios: la llamada astronomía multimensajero.

La expresión puede sonar aparatosa, pero la idea es bastante sencilla. Un mismo acontecimiento puede enviar hacia la Tierra diferentes señales: luz, rayos gamma, neutrinos u ondas gravitacionales. Cada una cuenta una parte distinta de la historia.

Una fusión de estrellas de neutrones, por ejemplo, puede deformar el espacio-tiempo y generar ondas gravitacionales, mientras produce simultáneamente distintas formas de radiación. Si observatorios especializados en señales diferentes miran al mismo lugar y al mismo tiempo, el fenómeno deja de ser una fotografía aislada y empieza a parecerse a una secuencia completa.

Ahí entra la velocidad de los LST. Una alerta de detectores de ondas gravitacionales como LIGO, Virgo o KAGRA, o procedente de instalaciones dedicadas a neutrinos, puede enviar a los telescopios palmeros hacia una región concreta del firmamento. También puede suceder al revés: una señal de rayos gamma descubierta en La Palma puede hacer que otros observatorios cambien rápidamente de objetivo.

La Palma se convierte en una pieza del gran observatorio CTAO

Los cuatro LST forman parte de un proyecto mucho mayor. El CTAO aspira a convertirse en el observatorio terrestre de rayos gamma más potente construido hasta la fecha, con instalaciones en ambos hemisferios para obtener una visión mucho más amplia del cielo.

La sede norte estará en el Roque de los Muchachos, mientras el despliegue austral se desarrolla en Chile. El proyecto combina telescopios de distintos tamaños, cada uno optimizado para una franja energética, en lugar de confiar toda la observación a una sola clase de instrumento.

La construcción del conjunto LST ha movilizado a más de 500 científicos e ingenieros de más de diez países. En La Palma, cada uno de los cuatro grandes telescopios representa además una inversión estimada de entre 25 y 30 millones de euros.

El valor científico no termina en los propios LST. En el mismo observatorio se encuentra el Gran Telescopio Canarias, capaz de estudiar posteriormente en otras longitudes de onda los objetos localizados mediante rayos gamma. El Roque puede así combinar instrumentos muy distintos sobre una misma fuente. Eso es, precisamente, lo interesante.

De cientos de fuentes conocidas a un cielo mucho más poblado

La astronomía de rayos gamma de muy alta energía sigue trabajando con un catálogo relativamente pequeño comparado con otras ramas de la astronomía. La nueva generación de instrumentos pretende cambiar esa escala y multiplicar el número de fuentes cósmicas detectadas.

El director general del CTAO, Stuart McMuldroch, apunta a un salto desde los cientos de fuentes conocidas hasta potencialmente miles. Más fuentes significan mejores estadísticas, más objetos extraños que comparar y, sobre todo, más posibilidades de descubrir excepciones que no encajen cómodamente en los modelos actuales.

Ese detalle importa. Buena parte de la historia de la astronomía está construida precisamente sobre instrumentos que empezaron buscando algo conocido y terminaron encontrando otra cosa. Cuando se observa el universo con mayor sensibilidad o mediante una ventana física diferente, aparecen fenómenos que antes sencillamente no podían verse.

Kajita ha insistido en esa posibilidad en La Palma: los nuevos telescopios podrían encontrar acontecimientos que la comunidad científica todavía ni siquiera ha imaginado. No es una promesa grandilocuente; es casi una tradición incómoda de la ciencia. El universo suele reservarse alguna sorpresa cuando mejoran los ojos con los que lo miramos.

El Roque de los Muchachos mira hacia el universo más extremo

La puesta en marcha de los cuatro LST cambia la escala de la astronomía de altas energías en La Palma. El objetivo inmediato será observar mejor fenómenos fugaces, localizar aceleradores cósmicos, coordinarse con observatorios de neutrinos y ondas gravitacionales y buscar señales que ayuden a estrechar el cerco sobre la naturaleza de la materia oscura.

Pero la parte más sugerente probablemente sea la menos concreta. Estos telescopios han sido construidos para estudiar un universo que ya sabemos que es violento, rápido y extraordinariamente energético. También para detectar aquello que todavía no figura en el catálogo.

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