Búsqueda y captura de rayos gamma

La Plataforma Solar de Almería se ha convertido en un gran telescopio. Los científicos pueden captar los rayos gamma cósmicos y conocer la situación de fuentes de alta energía situadas incluso fuera de nuestra galaxia. Durante los dos próximos años funcionará por las noches y permitirá a los astrónomos obtener información suficiente como para resolver algunas de las incógnitas que se plantean sobre el origen del Universo.

"E ste proyecto es un buen ejemplo de cómo los científicos debemos ingeniárnoslas para sacar el máximo provecho a la tecnología que tenemos. Así hemos convertido una central solar térmica en un gran telescopio para captar la radiación gamma procedente del Universo, de dimensiones muy superiores a cualquier otro en el mundo", afirma Fernando Arqueros, responsable científico español de GRAAL, un proyecto en el que participan el Instituto alemán Max Planck, la Universidad Complutense de Madrid y la Plataforma Solar de Almería, esta última perteneciente al Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT).

Todo comenzó en 1996, cuando el Instituto Max Planck solicitó a la Plataforma Solar de Almería utilizar sus instalaciones para intentar captar radiación gamma. Manuel Romero, responsable de I+D en Tecnología Solar de Receptor Central del CIEMAT explica que "habitualmente las mediciones de rayos gamma se realizan desde telescopios situados en satélites. También se ha intentado desde la Tierra, pero la señal que se recibe es tan débil que hay que concentrar mucho la radiación para obtener datos relevantes". Ya existía constancia de que se habían utilizado centrales solares como telescopio, concretamente en Estados Unidos, en Alburquerque, Nuevo México y en la planta THEMIS, situada cerca de Targasone, en los Pirineos franceses.

En 1982 un grupo de científicos propuso el uso del campo de heliostatos del laboratorio nacional Sandia, situado en Alburquerque. Más tarde, los estadounidenses probaron en una planta solar piloto en el desierto de Mojave, en California. Esta planta estaba constituida por un campo de 1818 heliostatos con un área reflectora de 71.000 m2. En la actualidad se está llevando a cabo el proyecto STACEE y en él intervienen las Universidades californianas de Riverside, Los ángeles, y Santa Cruz, la Universidad de Chicago, y la Universidad canadiense de McGill. Desde 1996, las mediciones se realizan en la planta solar de Alburquerque, donde se utilizan 48 heliostatos con una superficie reflectora de 1800 m2.

En Francia, el aprovechamiento de la planta solar THEMIS como telescopio de radiación Cherenkov comenzó en 1993. Desde entonces se han realizado dos proyectos: THEMISTOCLE Y ASGAT. En el primero se utilizaron 18 espejos parabólicos de 0’5 m2 y con ellos se detectó una debil señal de la Nebulosa del Cangrejo. En el proyecto ASGAT han sido siete los espejos de siete metros cada uno empleados para la captación de radiación Cherenkov. Los resultados obtenidos en ambos estudios han animado al grupo de investigadores franceses a emprender un nuevo estudio: el CELESTE, basado también en un sistema de torre central que recoge la luz reflejada por un total de 18 heliostatos, aunque se espera incrementar este número hasta 40.

La excelente situación de la Plataforma Solar de Almería, construida a 500 metros sobre el nivel del mar, y en una zona almeriense especialmente apta para la observación astronómica (muy cerca también se encuentra el Observatorio Astronómico de Calar Alto), hizo pensar a los investigadores alemanes, dirigidos por el profesor Rainer Plaga, que podrían obtener unos buenos resultados, como ocurrió en la fase preliminar (Mini-GRAAL). Tanto es así que se decidió iniciar un proyecto que comenzó el pasado mes de julio y finalizará el año 2001.

El eslabón cósmico

Desde hace tiempo se conoce la existencia de altas fuentes cósmicas de muy alta energía que emiten rayos gamma, pero los científicos ignoran los procesos físicos que dan lugar a esta radiación. Desde principios de siglo se estudian los rayos cósmicos, las partículas de alta energía que viajan libremente por el Universo. "A diferencia de éstos, los rayos gamma siguen una trayectoria rectilínea en el espacio y su observación nos permite llegar hasta su fuente de origen", explica Fernando Arqueros, del Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear de la Facultad de Ciencias Físicas de la Universidad Complutense de Madrid.

Existen diversas hipótesis sobre el origen de estos rayos gamma. El pasado 30 de septiembre, la revista "Nature" publicó un trabajo de un grupo de científicos del Observatorio de Monte Palomar del Instituto de Tecnología de Pasadena (California), en el que se demostraba la masiva presencia de rayos gamma, tras la explosión de una supernova, detectada el pasado 26 de marzo de 1998. El responsable de este estudio, el profesor Kulkarni afirma que existen dos hipótesis sobre el origen de los rayos gamma: podrían ser el resultado de la fusión de dos objetos masivos tales como estrellas de neutrones o agujeros negros; y una segunda hipótesis que habla del colapso de una estrella muy masiva en una explosión muy energética de una supernova.

"Otro interesante resultado que se puede obtener de este tipo de observaciones está relacionado con la radiación infrarroja de origen cosmológico que empapa el Universo", apunta Fernando Arqueros. "Los rayos gamma deberían ser absorbidos por esta radiación infrarroja. La mayor o menor presencia de radiación gamma de origen extragaláctico, nos aporta una información muy valiosa para entender el origen del Universo. Pero también el estudio de los mecanismos que dan origen a estos rayos gamma permiten poner a prueba las Leyes de la Física de partículas, ofreciéndonos la posibilidad de conocer otras nuevas".

"Cuando un rayo gamma penetra en la atmósfera terrestre se desarrolla una cascada de partículas, algunas de las cuales son de muy alta energía, como es el caso de los electrones, que viajan a una velocidad superior a la de la luz en el aire (300.000 kms/sg) y dan lugar a lo que denominamos radiación Cherenkov", explica Fernando Arqueros. Esta radiación llega a la Tierra en forma de flash de luz, y es imperceptible al ojo humano.

Adaptación y reproducción

La Plataforma Solar de Almería dispone de una planta solar térmica con 300 heliostatos de 40 m2 (espejos que giran para captar los rayos del sol) y una torre central de 70 metros de altura que recibe todo el calor y lo transforma en energía térmica. Manuel Romero señala que para dar a estas instalaciones un doble uso ha sido necesario un gran esfuerzo de adaptación y reprogramación de toda la infraestructura. "Durante el día la planta trabaja para aprovechar al máximo la energía procedente del sol y por la noche los heliostatos se dirigen hacia puntos concretos del Universo, dentro y fuera de nuestra galaxia". Ha sido necesario el desarrollo de un sistema de control de los heliostatos capaz de corregir posibles desviaciones, bien por el lógico deterioro del instrumental, bien por las imprecisiones en el cálculo del vector solar o en las deformaciones provocadas por la orientación del heliostato. En la fase preliminar se utilizaron 27 heliostatos frente a los 70 que se emplean en la actualidad.

En total oscuridad

Las mediciones se llevan a cabo las noches en las que no hay luna y existen unas condiciones climatológicas favorables. "Solemos trabajar siete días antes y siete días después de la luna nueva, porque la oscuridad debe ser total", afirma Fernando Arqueros.

Los 70 heliostatos se dirigen a puntos concretos, como la Nebulosa del Cangrejo, por ejemplo, o a posiciones estelares en las que ya se han observado eclosiones de rayos gamma. Toda la radiación recibida se concentra en la torre a través de cuatro conos de Winston.

"Estos conos están situados en la torre central, a 70 metros de altitud y concentran la luz reflejada en los 2.800 m2 de la superficie de los heliostatos en una mancha de luz de alrededor de 1’2 metros, el tamaño de su diámetro de entrada. Estos flashes de radiación Cherenkov que duran sólo unos 10 nanosegundos (un nanosegundo equivale a 109 segundos), son detectados por los fotomultiplicadores situados dentro de estos conos y registrados con dispositivos electrónicos muy sofisticados", explica Fernando Arqueros.

Hasta el momento las mediciones que se han llevado a cabo han obtenido buenos resultados, sin embargo habrá que esperar varios meses hasta poder disponer de resultados definitivos.

"Las mediciones han coincidido con los meses de verano, en los que hemos tenido unas noches excelentes para la observación astronómica. En otoño y el próximo invierno esperamos poder seguir trabajando como hasta ahora", concluye Fernando Arqueros. En cualquiera de los casos se trata de un ambicioso proyecto, que convierte a los investigadores de GRAAL en pioneros en esta técnica junto a los estadounidenses y los franceses. Y todo ha sido posible gracias a la infraestructura que posee la Plataforma Solar de Almería y que la convierte en la mejor planta solar de Europa y en una de las primeras del mundo.