Dialogar con el Dr. Esteban Roulet es ingresar a los fenómenos de la naturaleza que tienen efectos energéticos, que surgen de ambientes donde los agujeros negros, la colisión de galaxias o la explosión de estrellas súper masivas generan tal energía que algo de ella llega a nosotros. 

Esteban Roulet es Doctor en Física; desde el 2001 vive en Bariloche y trabaja en el Centro Atómico de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA). En plena Reunión Anual de la Asociación Argentina de Astronomía, oficializó un trabajo relevante de la Colaboración Auger en torno a la detección de rayos cósmicos,  publicado en la revista Science del 21 de septiembre.

-¿Qué significa que este anuncio se de en el marco de la reunión anual de astrónomos argentinos en Malargüe, el sitio del Observatorio Pierre Auger?

¡Es una coincidencia cósmica! Este trabajo lo enviamos a la revista Science hace unos tres meses, hasta que terminó todo el proceso de auditoría y la revista decidió publicarlo pasó mucho tiempo, la publicación sale hoy. Aprovechamos para infiltrarnos en la reunión y hacer el anuncio en ella.

Este 21 de septiembre sale la versión on line y mañana la versión impresa.

-Hoy sale una publicación en Science en la cual tenés mucho que ver, ¿qué cuentan en ella?

Voy a empezar contando acerca de isotropías y anisotropías porque en el trabajo que se publicó hablamos justamente de eso.

Si hay rayos cósmicos que llegan a nosotros de manera igual y de todas las direcciones, hablamos de isotropía; ahora si detectamos más rayos en un lugar que en otro del espacio, estamos ante una anisotropía. Es un dipolo, es decir, una mitad de cielo tiene más rayos cósmicos que la otra mitad y lo que publicamos cuenta que una mitad tiene un 6% más que la otra. Lo que vimos es que vienen más de un lado que apunta hacia fuera de la galaxia, por eso creemos que son extragalácticos.

Para buscar las fuentes de rayos cósmicos hay que buscar señales anisotrópicas y esto lo hacemos desde hace mucho tiempo. En 12 años se han detectado 30.000 rayos cósmicos con las energías utilizadas en este trabajo, un centenar de los de más altas energías y muchos más de bajas energías.

El trabajo publicado es el resultado de esas detecciones y su análisis.

-Llegan esos rayos, los detectan en el Observatorio Pierre Auger y ¿qué revelan?

Te están revelando que hay un lado del espacio donde hay más fuentes que en el otro y lo importante es saber si esas fuentes de rayos cósmicos que vemos son de nuestra galaxia o están en otras galaxias. Si son galácticos vienen de más "cerca" y no hace falta que sean tan potentes, pero si vienen de galaxias lejanas y llegaron hasta acá su fuente tiene que ser algo ¡muy grande!

El mayor flujo observado está a unos 125° del centro de nuestra galaxia, eso es decir que está muy lejos y, justamente, en una dirección donde sabemos que hay más galaxias que en la opuesta.

Hace varios años que veníamos viendo esto pero con la estadística que era menor  a la actual, la significación del resultado era menor también. Entonces, a medida que fue pasando el tiempo y que fuimos pudiendo aprovechar mejor los datos, el error se fue achicando y la significación fue aumentando.

Ahora estamos en un momento -y lo decimos en este artículo-  que podemos afirmar que la probabilidad de haber medido una fluctuación al azar, en vez de una señal real, es de 2 en 10 millones, o sea, que ¡estamos seguros! Tenemos otros resultados que son al 1 por 1000, eso para nosotros es un indicio.

Pero esto es un descubrimiento porque para llegar al descubrimiento tenés que llegar al nivel de menos de 5 en 10 millones, por eso es especial: es la primera vez que se descubren anisotropías a estas energías en los rayos cósmicos.

Son cosas que llevan tiempo, cuando se construyó el Observatorio Pierre Auger decían  que los 3000 km2 eran un  disparate y hoy nos resulta chico porque hay cosas que requieren más área. También vamos a mejorar algunos de los detectores -los tanques- poniéndoles centelladores por encima para obtener datos diferentes.

-Te puedo pedir que nos digas distancias y los números escaparán a los no especialistas, pero lo pregunto igual.

Las fuentes que originan lo que detectamos están más allá del Grupo Local -La Vía Láctea y unas decenas de galaxias-, no  sabemos con exactitud a qué distancia pero podrían llegar a estar a 300 millones de años luz, mientras que el Grupo Local está a unos 10 millones de años. Podría estar a una distancia intermedia de 100 millones de años luz.

-¿Cuáles son las posibles fuentes?

Hay distintos candidatos, algunos investigadores dicen que son como supernovas muy potentes -estrellas muy masivas que al morir explotan- y en esa explosión se aceleran rayos cósmicos.

Los rayos cósmicos de baja energía que observamos vienen de nuestra galaxia y tal vez también de supernovas, pero los rayos de más altas energías podrían ser por una supernova muy violenta que llamamos destellos de rayos gamma; o tal vez podría ser un candidato que nos resulta interesante: las galaxias que tienen un núcleo activo en su centro. Esto es, un agujero negro enorme que va devorando a la galaxia que lo alberga y que creció hasta a unos mil millones de masas solares.

-¡Qué escenario!

Todo lo que está "por ahí cerca" está cayendo al agujero negro y se forman jets que salen hacia los dos  lados opuestos del agujero negro. Esos jets son  partículas muy energéticas y veloces y allí  se pueden acelerar rayos cósmicos.

La fracción de galaxias que es activa es bastante grande, hasta un 10%  y las que tienen agujeros negros son casi todas, aunque las realmente poderosas son pocas. Cuando hay una colisión de galaxias se activa un agujero negro que ya está allí y en ese momento se aceleran las partículas. Pueden ser galaxias de brote estelar donde se están formando muchas  estrellas, a un ritmo cinco, diez veces mayor que en nuestra galaxia, entonces hay muchas estrellas jóvenes, muy masivas -en general las masivas viven poco tiempo- y al morir producen aceleración de partículas.

-Llegó el día y el mundo lee sobre el descubrimiento de la colaboración Auger.

Cuando sale una publicación como la de hoy firma toda la colaboración y los autores estamos por orden alfabético. En este trabajo publicado en Science estuvo muy involucrado el grupo de Bariloche; muchas de las cosas que permitieron llegar hasta estos resultados se desarrollaron en Bariloche. 

-Firman todos como autores pero ¿cuántos lo escriben?

Para la escritura del artículo se forma un grupo que se llama editorial board en el que trabajamos siete personas; en esta publicación tres somos de Bariloche, la Dra. Silvia Mollerach,  un estudiante, Oscar Taborda y yo. Pero hay mucha más gente que participa, por supuesto.

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 Algo más sobre Esteban Roulet

 Nació en El Dorado, Misiones pero de chico se mudó a la ciudad de Buenos Aires, donde cursó todos sus estudios hasta egresar como físico por la Universidad de Buenos Aires. De allí, fue a Italia y se radicó en Trieste donde hizo un doctorado en Física de Partículas; según sus propias palabras dio unos giros durante 12 años hasta regresar a la Argentina y estar poco más de un año en la Facultad de Cs. Exactas de la Universidad Nacional de La Plata. Luego fue a Bariloche y desde el 2001 vive allí; el 90% de su trabajo lo destina a los rayos cósmicos, junto a un grupo de la colaboración Auger que hacen interpretación y análisis de datos. Pero no sólo eso, la materia oscura, la física de neutrinos y las lentes gravitacionales son parte de su agenda de interés. No pierde el sueño a menos que el trabajo le imponga jornadas sin sábados o domingos libres.

Esteban Roulet es Investigador Principal de CONICET en el Centro Atómico Bariloche (CNEA).

Observatorio Pierre Auger

Entre acequias, alamedas y la cordillera como escenario de fondo, Malargüe, alberga el detector de rayos cósmicos más grande del mundo que fue construido por una colaboración de 17 países y en el que investigan más de 400 científicos.Fue llamado así, en honor al descubridor de esa "lluvia" de rayos cósmicos.

El objetivo principal del Observatorio es comprender mejor qué son estas partículas (qué tipo de átomos y con qué carga aparecen a cada energía) y dónde se originaron (si se produjeron en explosiones de estrellas o en procesos muy violentos que suceden por ejemplo cerca de los agujeros negros enormes que pueden devorar galaxias enteras).  

La colaboración internacional está integrada por Alemania, Argentina, Australia, Brasil, Colombia, Croacia, Eslovenia, España, Estados Unidos, Francia, Holanda, Italia, México, Polonia, Portugal, República Checa, Rumania.

En la actualidad un grupo de 400 científicos, de más de 90 instituciones de esos países observan las lluvias de rayos cósmicos de la más alta energía del nuevo milenio.

Actualmente el Observatorio Pierre Auger trabaja al 100% de su capacidad. Fue inaugurado oficialmente el 14 de noviembre de 2008.

La Colaboración Argentina del Observatorio Auger incluye miembros de las siguientes instituciones: Comisión Nacional de Energía Atómica (Instituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas y Centro Atómico Bariloche), CONICET, Observatorio Pierre Auger, Universidad Nacional de La Plata, Universidad Nacional de San Martín, Instituto Balseiro (Universidad Nacional de Cuyo y CNEA), Instituto de Astronomía y Física del Espacio, Universidad Tecnológica Nacional (regionales Mendoza y San Rafael), Universidad de Buenos Aires.

¿Qué son los rayos cósmicos?

Los rayos cósmicos son núcleos de átomos, que incluyen desde el hidrógeno hasta algunos más pesados como el hierro. A las energías consideradas en este trabajo, el flujo es tan pequeño que sobre una superficie del tamaño de una cancha de fútbol llega en promedio tan solo uno por siglo. Estas partículas energéticas interactúan con las moléculas de la atmósfera y tras sucesivos choques generan cascadas que contienen electrones, fotones y muones que se propagan a velocidades cercanas a la de la luz, distribuidas en forma de un disco de varios km de radio. Al llegar a la superficie estas cascadas consisten de miles de millones de partículas y pueden ser reconstruidas en el Observatorio Auger utilizando la luz Cherenkov que producen al atravesar algunos de los 1.600 detectores, cada uno de los cuales contiene 12 toneladas de agua ultrapura, separados entre sí por 1,5 km y cubriendo un área total de 3.000 km2 (unas 15 veces más grande que la superficie de la Ciudad de Buenos Aires).

De galaxias muy, muy lejanas

En un artículo que será publicado en la revista Science el 22 de septiembre 2017, la Colaboración Pierre Auger reporta evidencia de que los rayos cósmicos con energías mayores que 10¹⁹ electron voltios, es decir un millón de veces más grandes que las que adquieren los protones acelerados en el Gran Colisionador de Hadrones (el acelerador de partículas más potente), provienen de fuentes ubicadas fuera de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Desde que la existencia de rayos cósmicos con semejantes energías fue establecida en 1960, una gran incógnita ha sido siempre saber si provenían de nuestra galaxia o de otras más lejanas. Este misterio ha sido aclarado utilizando el mayor detector de rayos cósmicos jamás construido, el Observatorio Pierre Auger, ubicado en Malargüe, Argentina.

Se encontró que a estas energías el flujo de rayos cósmicos es aproximadamente 6% mayor en una mitad del cielo respecto de la otra mitad, siendo máximo este exceso en una dirección alejada por unos 120^orespecto al centro de nuestra galaxia. Según expresó el Prof. Karl-Heinz Kampert (Universidad de Wuppertal), vocero de la Colaboración Auger, que involucra a unos 400 científicos de 17 países, "Estamos ahora bastante más cerca de develar el misterio de cómo y dónde fueron producidas estas partículas tan extraordinarias, una pregunta de gran interés para la astrofísica. Nuestras observaciones indican que provienen de más allá de la Vía Láctea".

 (Información provista por el Observatorio Pierre Auger).

Edificios e instrumental

Para detectar la fluorescencia hay cuatro edificios de telescopios en la periferia del arreglo de superficie llamados: Los Leones, Coihueco, Los Morados y Loma Amarilla, abarcando cada uno un ángulo de 180º con seis telescopios que observan un ángulo de 30º cada uno.

Cada telescopio consta de un espejo esférico, que concentra la luz de su área de visión sobre una cámara. Su principio de funcionamiento es como de una cámara digital: posee 440 pixeles, en un arreglo de 22x20. Cada píxel es un tubo fotomultiplicador, de unos 4,5 cm de diámetro, sensible a la luz ultravioleta.

Los telescopios tienen una óptica de tipo Schmidt, es decir, con una lente para corregir la aberración por coma y un diafragma de apertura. Además, en la apertura existe un filtro que solo deja pasar luz ultravioleta, para reducir la luminosidad de fondo.

El telescopio de fluorescencia solo puede operar cuando la luz de fondo es mínima, esto es, en noches despejadas sin luna.

Sin embargo, la información que provee es extremadamente valiosa, ya que proporciona una medición directa de la luz que la lluvia deja en su paso por la atmósfera, lo que permite reconstruir con alta precisión la energía del rayo cósmico primario. Este dato permite calibrar el detector de superficie. También proporciona una muy buena medición del plano formado por la dirección de arribo del rayo cósmico y el observatorio.

Para una buena determinación de la energía, es importante conocer la atenuación atmosférica por lo que se requiere un complejo sistema de monitoreo atmosférico llamado Lidar (Light Detection and Ranging), basado, entre otras cosas, en un sistema de láser pulsado y análisis de la señal dispersada por la atmósfera.

Hay 1.600 detectores, cada uno de los cuales contiene 12 toneladas de agua ultrapura, separados entre sí por 1,5 km y cubriendo un área total de 3.000 km² (unas 15 veces más grande que la superficie de la Ciudad de Buenos Aires).

Antecedentes

Alrededor del año 1991 dos destacados físicos, el premio Nobel Dr. James Cronin y el Dr. Alan Watson, comenzaron a concebir el plan de construir un observatorio abarcando una superficie de 3000 km².

En los años 1995-1996, la Colaboración Auger realizó una búsqueda de sitios a nivel internacional y preseleccionó sitios en Sudáfrica, Australia y Argentina. Si bien se estudiaron en detalle varios sitios en la Argentina, la selección final recayó sobre el sitio de Pampa Amarilla, en los departamentos de Malargüe y San Rafael.
Para esta decisión se tuvieron en cuenta diversos aspectos, como la existencia de una gran planicie de más de 3000 km², con un terreno poco accidentado y accesible, una atmósfera pura con aire limpio y poca contaminación lumínica, la existencia de infraestructura local (la cercanía de la ciudad de Malargüe, existencia de caminos y de redes eléctricas y comunicaciones, etc.). También se tuvo muy en cuenta la existencia de grupos argentinos de investigación interesados en llevar adelante el proyecto y el apoyo brindado por el gobierno nacional, provincial y municipal.
El sitio de Pampa Amarilla cumple además con una serie de requisitos técnicos, como el de hallarse a una altura sobre el nivel del mar de entre 1200 y 1400 m, no presentar temperaturas muy extremas y estar ubicado a una latitud de 35º, adecuada para observar todo el hemisferio sur del cielo.

Para más información ver: https://www.auger.org.ar