Imagina que tuvieras una visión de superhéroe y pudieras ver un mundo completamente nuevo de fenómenos fascinantes invisibles para el ojo humano. El telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA otorga a los astrofísicos poderes análogos. Captura imágenes del universo en rayos gamma, la forma de luz más enérgica.

El 12 de abril uno de los instrumentos de la nave espacial:el telescopio de área grande (LAT), que fue concebido y ensamblado en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía, detectó su mil millonésimo rayo gamma extraterrestre.

Dado que los rayos gamma a menudo se producen en procesos violentos, su observación arroja luz sobre entornos cósmicos extremos, como poderosas explosiones de estrellas, chorros de partículas de alta velocidad arrojados por agujeros negros supermasivos, y estrellas de neutrones ultradensas girando a una velocidad inimaginable. Los rayos gamma también podrían ser signos reveladores de partículas de materia oscura, componentes hipotéticos de materia oscura invisible, que representa el 85 por ciento de toda la materia del universo.

"Desde el lanzamiento de Fermi en 2008, el LAT ha realizado una serie de importantes descubrimientos de emisiones de rayos gamma de fuentes exóticas en nuestra galaxia y más allá, "dice Robert Cameron, jefe del Centro de Operaciones de Ciencia de Instrumentos LAT (ISOC) en SLAC. El LAT ya ha recolectado cientos de veces más rayos gamma que el instrumento EGRET de la generación anterior en el Observatorio de rayos Gamma Compton de la NASA, un avance que ha profundizado enormemente los conocimientos sobre la producción de esta radiación energética.

Habilitación del descubrimiento

Entre los descubrimientos de LAT hay más de 200 púlsares, que giran rápidamente, núcleos altamente magnetizados de estrellas colapsadas que eran hasta 30 veces más masivas que el sol. Antes del lanzamiento de Fermi, se sabía que solo siete de estos objetos emitían rayos gamma. Mientras los púlsares giran alrededor de su eje, emiten "haces" de rayos gamma como faros cósmicos. Muchos púlsares giran varios cientos de veces por segundo, eso es decenas de millones de veces más rápido que la rotación de la Tierra.

"Comprender los púlsares nos informa sobre la evolución de las estrellas porque son un posible punto final en la vida de una estrella, ", Dice Cameron." Los datos LAT nos han llevado a revisar totalmente nuestra comprensión de cómo los púlsares emiten rayos gamma ".

El LAT también ha demostrado por primera vez que las novas (explosiones termonucleares en la superficie de estrellas que han acumulado material de estrellas vecinas) pueden emitir rayos gamma. Estos datos proporcionan nuevos detalles sobre la física de las estrellas en llamas, que es un proceso crucial para la síntesis de elementos químicos en el universo.

Las fuentes de rayos gamma más exóticas detectadas por el LAT son los microcuásares. Estos objetos son análogos del tamaño de una estrella de núcleos galácticos activos, con gas girando alrededor de un agujero negro en el centro. Mientras el agujero negro devora la materia de su entorno, expulsa chorros de partículas cargadas que viajan casi tan rápido como la luz al espacio, generando haces de rayos gamma en el proceso.

A escala galáctica Tal mecanismo de expulsión podría haber producido lo que se conoce como las burbujas de Fermi, dos áreas gigantes por encima y por debajo del centro del disco de nuestra galaxia, la Vía Láctea, que brillan en rayos gamma. Descubierto por LAT en 2010, estas burbujas sugieren que el agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia alguna vez fue más activo de lo que es hoy.

Los investigadores también utilizan el LAT para buscar signos de partículas de materia oscura en las regiones centrales de la Vía Láctea y otras galaxias. Las teorías predicen que las partículas hipotéticas producirían rayos gamma cuando se desintegran o chocan y se destruyen entre sí.

"Con la sensibilidad que hemos logrado con el LAT, en principio deberíamos poder ver tales firmas de materia oscura, "dice Seth Digel de SLAC, quien dirige el grupo Fermi en el Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas (KIPAC), un instituto conjunto de la Universidad de Stanford y SLAC. "Pero todavía no hemos encontrado ninguna señal concluyente, y hasta ahora los datos LAT también se pueden explicar con otras fuentes astrofísicas ".

Finalmente, el LAT ha explorado fuentes de rayos gamma más cerca de casa, incluidos los rayos gamma producidos por tormentas eléctricas en la atmósfera de la Tierra, por erupciones solares e incluso por partículas cargadas que golpean la superficie de la luna.

Encontrar agujas en un pajar

Desde su ubicación en Fermi a una altitud de 330 millas, el LAT ve el 20 por ciento del cielo en un momento dado. Every two orbits – each takes about 95 minutes – the instrument collects the data necessary for a gamma-ray map of the entire sky.

But identifying the right signals for the map is a little bit like finding needles in a haystack:For every gamma-ray photon, the LAT sees many more high-energy charged particles, called cosmic rays. Most of these background signals are rejected right away by hardware triggers and software filters in the LAT on Fermi, which reduces the rate of signals from 10, 000 to 400 per second.

The remaining data are compressed, transmitted back to Earth and sent to NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, where they get separated into three different datasets for the LAT, the GBM (Fermi's second scientific instrument, which monitors short-lived gamma-ray bursts) and spacecraft data.

The LAT data are transferred to the LAT ISOC at SLAC, where 1, 000 computer cores automatically analyze the data stream and filter out even more background signals. 70 percent of all detected gamma rays are from Earth's atmosphere, leaving only two to three extraterrestrial gamma-ray signals per second out of the 10, 000 initial detector events. These data are then sent back to NASA Goddard, where they are made publicly available for further analysis.

"The ISOC receives about 15 deliveries of LAT data throughout the day for a total of 16 gigabytes or three DVDs worth of data every day, " Cameron says. "For each delivery, the entire process – from the time the data leave Fermi to the time the gamma rays get deposited in the public archive – takes about four hours."

Next year, the Fermi mission will reach its 10-year operations goal. What happens after that will largely depend on funding.

"With no successor mission planned, the LAT is in many ways irreplaceable, particularly for studies of low-energy gamma rays, " Digel says. "The telescope is still going strong after all these years, and there is a lot of science left to be done."

An important new role for the LAT is to search for gamma-ray sources associated with gravitational wave events. These ripples in space-time occur, por ejemplo, when two black holes merge into a single one, as recently observed by the LIGO detector. This opens up the completely new field of gravitational wave astrophysics.

The LAT ISOC is a department in KIPAC and the Particle Astrophysics and Cosmology Division of SLAC. KIPAC researchers contribute to the international Fermi LAT Collaboration, whose research is funded by NASA and the DOE Office of Science, as well as agencies and institutes in France, Italia, Japan and Sweden.