INTEGRAL, un satélite europeo para detectar los fotones ‘vampiro’ de la astrofísica

El universo a altas energías no es un lugar tranquilo, experimenta fenómenos violentos que se traducen en fogonazos brillantes que duran segundos, o rara vez minutos y que observamos con telescopios de rayos gamma

Una ilustración del satélite de la Estación Espacial Europea INTEGRAL ( por laboratorio de astrofísica en rayos gamma), que cumple 20 años en órbita.
Una ilustración del satélite de la Estación Espacial Europea INTEGRAL ( por laboratorio de astrofísica en rayos gamma), que cumple 20 años en órbita.ESA

Con un nombre tremendamente evocador para la ciencia ficción, los rayos gamma tienen una realidad, unas propiedades físicas, que superan con creces lo imaginable. En el universo se producen en una diversidad de eventos extremos, de alta energía, violentos y efímeros. Extraños.

La imaginación de Bram Stoker en su Drácula otorgó a los vampiros la propiedad de no reflejarse en los espejos. Los rayos gamma tampoco lo hacen. Tienen una longitud de onda tan pequeña, o tan corta, que directamente atraviesan el espacio que hay entre los átomos de los espejos que normalmente utilizamos en los telescopios. Por ello hay que construir los detectores de tal manera que podamos medir los productos de la colisión de esos rayos de alta energía con los electrones. Es como si no tuviésemos acceso a ver lo que ocurre en el primer golpe de la mesa de billar, pero sí a ver las bolas que caen por los agujeros. Midiendo su dirección y velocidad reconstruimos el impacto original, o sea su localización y energía.

Así es como se han construido los detectores de rayos gamma que lleva a bordo el satélite Europeo INTEGRAL (International Gamma-ray Astrophysics Laboratory). Cuando un fotón de alta energía choca con un electrón de los cristales, construidos precisamente para que haya colisiones, o sea que están muy apretados, mide la cascada de impactos con menor energía.

Rayos gamma es el nombre que reciben las energías más altas de todo el espectro electromagnético. Es lógico, por tanto, que se produzcan como parte de los fenómenos más catastróficos ahí fuera, en el espacio exterior, aunque también se producen en las tormentas, en las explosiones nucleares o en los procesos radiactivos. Para saber qué ocurre, por ejemplo, en los procesos de aniquilación de positrones en la galaxia, en una explosión de supernova, en la colisión de estrellas de neutrones o en las regiones que rodean a los agujeros negros, tenemos que mirar con detectores sensibles a energías altas.

Esto es lo que hace el satélite INTEGRAL, que acaba de cumplir 20 años en una órbita que en la actualidad, da tres vueltas a la Tierra en aproximadamente 8 días. Cuatro impresionantes toneladas de satélite que fueron puestas en el espacio por un cohete Protón de la Federación Rusa, por encima de los cinturones de radiación de Van Allen y cuya distancia más cercana a la Tierra alcanzó los 2.000 kilómetros de altura en 2020, pero, como está en una órbita excéntrica, puede llegar a 150.000 km de nuestro planeta, casi a mitad de camino de la Luna.

Altas energías: la fotosíntesis depende de fotones con menos de 3 electrones-voltio (eV) o la producción de vitamina D utiliza 4 eV. El satélite INTEGRAL es sensible a fotones entre 15.000 y 10 millones de eV
El satélite INTEGRAL en otro concepto artístico del momento de su lanzamiento, en el año 2000.
El satélite INTEGRAL en otro concepto artístico del momento de su lanzamiento, en el año 2000.ESA

Y, ¿para qué? Para poder entender la física, la naturaleza de fenómenos como los estallidos de rayos gamma (GRB) que son los eventos más energéticos de todo el universo después del Big Bang y que al estar concentrados en haces, pueden emitir en pocos segundos toda la energía que emite una estrella como el Sol en toda su vida. Como el más reciente ocurrido hace apenas un mes, GRB 221009A, el más violento jamás detectado, que a pesar de haberse generado a la friolera de 2.000 millones de años luz de la Tierra, ocurrió tan “cerca” en términos astronómicos, que se hizo sentir incluso en la parte alta de la atmósfera.

Una de las capacidades de INTEGRAL es, de hecho, descubrir y localizar la posición de estas fuentes cósmicas de muy altas energías. Además, lleva incorporado un pequeño telescopio óptico “made in Spain” hecho en INTA y con investigador principal en el Centro de Astrobiología y que lleva dos décadas obteniendo una imagen del cielo cada 1-2 minutos.

El destello de rayos gamma se produce cuando un fotón colisiona con un electrón, y resulta en un electrón con menos energía y un fotón más energético.
El destello de rayos gamma se produce cuando un fotón colisiona con un electrón, y resulta en un electrón con menos energía y un fotón más energético.Instituto de Astrofísica de Andalucía

Como referencia de qué tipo de energía estamos hablando cuando decimos que son altas pongamos como ejemplo la fotosíntesis, que depende de fotones con menos de 3 electrones-voltio (eV) o la producción de vitamina D que utiliza fotones que llevan unos 4 eV. Pues bien, INTEGRAL es sensible a fotones entre 15.000 eV y 10 millones de eV.

Tener ojos puestos en el cielo de altas energías nos enseña que ocurre en las binarias de rayos X (esas extrañas parejas compuestas por un agujero negro y una estrella que le dona material) o en los procesos radiactivos que se manifiestan en la explosión de supernovas. Pero quizá, lo más espectacular haya sido la nueva ventana al conocimiento que se ha abierto con la detección y localización del estallido corto de rayos gamma, la contrapartida electromagnética de la fusión de dos estrellas de neutrones, asociado a la detección de ondas gravitatorias GW170817.

El cielo parece tranquilo, pero si pudiéramos ver con nuestros ojos los rayos gamma sería más parecido a las luces de la verbena de un pueblo en verano o de una discoteca a altas horas de la madrugada

Los recortes económicos en el seno de la Agencia Espacial Europea (ESA) hacen que la continuidad de las operaciones de INTEGRAL a partir de 2023 estén en peligro. Sobre todo porque los eventos de altas energías son además de impredecibles, muy variables y escasos. La extensión de las operaciones serían fundamentales para complementar detecciones cuando los interferómetros de ondas gravitatorias (LIGO, VIRGO, KAGRA) se pongan en marcha el año que viene. Con INTEGRAL quizá podamos ver por primera vez la contrapartida electromagnética de una estrella de neutrones y un agujero negro.

Si pudiéramos ver con nuestros ojos el cielo en rayos gamma sería más parecido a las luces de la verbena de un pueblo en verano o de una discoteca a altas horas de la madrugada: fogonazos brillantes de energía que se encienden y se apagan por segundos, o rara vez minutos. Nada parecido a la serenidad de un cielo tranquilo, estrellado y aparentemente inmutable, que vemos con los sensores que tenemos en los ojos. Para no dejarnos engañar por esa aparente tranquilidad se construyen telescopios como INTEGRAL: los ojos europeos para contemplar el universo en rayos gamma.

Esperemos que Ia ESA decida que continúe con los ojos bien abiertos cuando comiencen las nuevas operaciones de los detectores de ondas gravitatorias el próximo año.

Vacío Cósmico es una sección en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista científico sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de 1 átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La sección la integran Pablo G. Pérez González, investigador del Centro de Astrobiología; Patricia Sánchez Blázquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiología.

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Eva Villaver

Es investigadora del Centro de Astrobiología, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA).

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