En 2017, El telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA desempeñó un papel fundamental en dos avances importantes que se produjeron con solo cinco semanas de diferencia. Pero lo que podría parecer una suerte extraordinaria es en realidad producto de la investigación, análisis, preparación y desarrollo que se remonta a más de un siglo.

El 17 de agosto 2017, Fermi detectó la primera luz vista desde una fuente de ondas gravitacionales:ondas en el espacio-tiempo producidas, en este evento, por la fusión de dos estrellas de neutrones superdensas. Solo cinco semanas después, Una sola partícula de alta energía descubierta por el Observatorio de Neutrinos IceCube de la National Science Foundation (NSF) fue rastreada hasta una galaxia distante impulsada por un agujero negro supermasivo gracias a un destello de rayos gamma observado por Fermi.

"Durante milenios, la luz era nuestra única fuente de información sobre el universo, "dijo Julie McEnery, el científico del proyecto Fermi en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland. "Los descubrimientos recientes conectan la luz, nuestro mensajero cósmico más conocido, a ondas gravitacionales y partículas como los neutrinos, nuevos mensajeros que entregan diferentes tipos de información que apenas estamos comenzando a explorar ".

Raíces profundas

Los orígenes de estos descubrimientos se remontan a investigaciones de vanguardia que se remontan a 1887. Fue entonces cuando los físicos Albert Michelson y Edward Morley llevaron a cabo un experimento para detectar una sustancia. llamado el éter, que se postuló como un medio que permitía que las ondas de luz viajaran a través del espacio. Como mostró su experimento y muchos lo han confirmado desde entonces, el éter no existe. Pero el resultado negativo resultó ser una de las inspiraciones de la teoría especial de la relatividad de 1905 de Albert Einstein. Generalizó esto en una teoría de la gravedad en toda regla en 1915, uno que predijo la existencia de ondas gravitacionales.

Un siglo después el 14 de septiembre 2015, El Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) de la NSF detectó estas vibraciones espacio-temporales por primera vez cuando las ondas de la fusión de dos agujeros negros llegaron a la Tierra. En medio vino un flujo constante de avances, incluyendo láseres, instrumentación mejorada y computadoras y software cada vez más potentes.

"Así como la invención de las tecnologías de detectores ha llevado décadas, también lo ha hecho el marco teórico y computacional para analizar e interpretar las observaciones de varios mensajeros, "dijo Tyson Littenberg, el investigador principal del grupo de investigación LIGO en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA en Huntsville, Alabama. "Pasamos por innumerables simulaciones para probar nuevas ideas y mejorar los algoritmos existentes para estar preparados para aprovechar al máximo las primeras observaciones, y que prosigue el trabajo básico de investigación y desarrollo ".

Hasta 2005, Ni siquiera era posible simular en detalle lo que sucede cuando un par de agujeros negros en órbita se fusionan. El gran avance se produjo cuando equipos separados en Goddard y la Universidad de Texas en Brownsville desarrollaron de forma independiente nuevos métodos computacionales que superaron todos los obstáculos anteriores. Una comprensión precisa de las señales de ondas gravitacionales fue un paso importante en la evolución de las técnicas diseñadas para detectarlas y caracterizarlas rápidamente.

"Otro desarrollo fundamental fueron las tuberías de análisis altamente optimizadas y la infraestructura de tecnología de la información que pueden comparar el modelo teórico con los datos, reconocer la presencia de una señal, calcular la ubicación de la fuente en el cielo y formatear la información de una manera que el resto de la comunidad astronómica podría utilizar, "explicó Tito Dal Canton, becario del programa postdoctoral de la NASA y miembro de un grupo de investigación de LIGO en Goddard dirigido por Jordan Camp.

Los astrónomos necesitan conocer los eventos de corta duración lo antes posible para poder utilizar una amplia gama de telescopios en el espacio y en la tierra. En 1993, Los científicos de Goddard y Marshall comenzaron a desarrollar un sistema automatizado para distribuir las ubicaciones de los estallidos de rayos gamma (GRB):distantes, poderosas explosiones que suelen durar un minuto o menos, para los astrónomos de todo el mundo en tiempo real. Ubicado en Goddard y dirigido por el investigador principal Scott Barthelmy, la Red de coordenadas de rayos gamma / Red de astronomía transitoria ahora distribuye alertas de muchas misiones espaciales, así como de instrumentos terrestres como LIGO e IceCube.

Partículas fantasma

El hilo histórico de los neutrinos comenzó con el físico francés Henri Becquerel y su descubrimiento de la radiactividad en 1895. En 1930, después de estudiar un proceso radiactivo llamado desintegración beta, Wolfang Pauli sugirió que probablemente involucraba una nueva partícula subatómica, más tarde apodado el neutrino. Ahora sabemos que los neutrinos poseen poca masa, viajar casi tan rápido como la luz, vienen en tres variedades y se encuentran entre las partículas más abundantes del universo. Pero debido a que no interactúan fácilmente con otra materia, Los neutrinos no se descubrieron hasta 1956.

En 1912, Victor Hess descubrió que las partículas cargadas, ahora llamados rayos cósmicos, entran continuamente en la atmósfera de la Tierra desde todas las direcciones, lo que significa que el espacio está lleno de ellos. Cuando los rayos cósmicos chocan contra las moléculas de aire, la colisión produce una lluvia de partículas, incluidos neutrinos, que atraviesan la atmósfera. La búsqueda de fuentes de neutrinos astronómicos significó colocar experimentos bajo tierra para reducir la interferencia de los rayos cósmicos y construir detectores muy grandes para detectar las señales débiles de los neutrinos tímidos a la publicidad.

Los neutrinos producidos por reacciones nucleares dentro del núcleo del Sol se detectaron por primera vez en 1968 gracias a un experimento con 100, 000 galones de líquido de limpieza en seco ubicados en las profundidades de una mina de oro de Dakota del Sur. Descubrir la próxima fuente de neutrinos astronómicos tomaría otros 19 años. Supernova 1987A, una explosión estelar en una galaxia cercana, sigue siendo la supernova más brillante y cercana vista en más de 400 años y es la primera en la que se pudo identificar la estrella original en imágenes previas a la explosión. Los teóricos anticiparon que los neutrinos, que escapan de una estrella que colapsa más fácilmente que la luz, sería la primera señal de una nueva supernova. Y horas antes de que la luz visible de 1987A llegara a la Tierra, experimentos en Japón, Estados Unidos y Rusia detectaron una breve explosión de neutrinos, haciendo de la supernova la primera fuente de neutrinos identificada más allá del sistema solar.

"Si ninguno de estos experimentos estaba funcionando en ese momento, la señal de neutrino habría pasado desapercibida, "dijo Francis Halzen, el investigador principal de IceCube, que es esencialmente un telescopio de neutrinos construido en un kilómetro cúbico de hielo en el Polo Sur. "No es suficiente desarrollar la tecnología, refinar las teorías o incluso construir un detector. Necesitamos hacer observaciones con la mayor frecuencia posible para tener la mejor oportunidad de capturar breves, eventos raros y científicamente interesantes. Tanto Fermi como IceCube están operando continuamente, haciendo observaciones ininterrumpidas del cielo ".

Luz fantástica

El tercer hilo histórico pertenece a los rayos gamma, la forma de luz de mayor energía, descubierto en 1900 por el físico francés Paul Villard. Cuando un rayo gamma de suficiente energía interactúa con la materia, proporciona una demostración perfecta de la ecuación más famosa de Einstein, E =mc2, transformándose instantáneamente en partículas:un electrón y su contraparte de antimateria, un positrón. En cambio, chocar un electrón y un positrón juntos y se produce un rayo gamma.

El satélite Explorer 11 de la NASA, lanzado en 1961, detectó los primeros rayos gamma en el espacio. En 1963, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos comenzó a lanzar una serie de satélites como parte del Proyecto Vela. Estos satélites cada vez más sofisticados fueron diseñados para verificar el cumplimiento de un tratado internacional que prohibía los ensayos de armas nucleares en el espacio o en la atmósfera. Pero a partir de julio de 1967, Los científicos se dieron cuenta de que los satélites Vela estaban viendo breves eventos de rayos gamma que claramente no estaban relacionados con las pruebas de armas.

Estas explosiones fueron GRB, un fenómeno completamente nuevo que ahora se sabe que marca la muerte de ciertos tipos de estrellas masivas o la fusión de estrellas de neutrones en órbita. La NASA exploró aún más el cielo de rayos gamma con el Observatorio de rayos gamma de Compton, que operó entre 1991 y 2000 y registró miles de PSG. A partir de 1997, Las observaciones críticas del satélite italiano-holandés BeppoSAX demostraron que los GRB estaban ubicados mucho más allá de nuestra galaxia. Compton fue sucedido por el Observatorio Swift Neil Gehrels de la NASA en 2004 y Fermi en 2008. misiones que continúan explorando el cielo de alta energía y que dan seguimiento a las alertas de LIGO e IceCube.

"En los campos de observación, el azar favorece solo a la mente preparada, "señaló Louis Pasteur, el químico y microbiólogo francés, en una conferencia de 1854. Apoyado por décadas de descubrimientos científicos e innovación tecnológica, el floreciente campo de la astronomía de múltiples mensajeros está cada vez más preparado para su próximo golpe de suerte.