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Un equipo de investigadores de varias universidades japonesas ha desarrollado un observatorio de rayos gamma montado en un globo que consta de una pila de docenas de finas películas en emulsión. Las huellas de partículas atribuibles a los rayos aparecen como pequeños puntos en cada capa individual de la película. [Image: GRAINE collaboration]
En una era de imágenes digitales de alta resolución disponibles instantáneamente, es fácil concluir que una tecnología fotográfica más antigua (las películas tradicionales basadas en emulsiones) tiene poco más que ofrecer. Sin embargo, parece que las películas en emulsión todavía tienen sus usos.
Un ejemplo de ello: en un trabajo publicado recientemente, un equipo científico con sede en Japón utilizó un nuevo «telescopio» que consiste en una «pila de panqueques» de películas de emulsión para obtener imágenes de rayos gamma del distante púlsar Vela con el que los autores dicen que es “la resolución angular más alta de cualquier telescopio de rayos gamma hasta la fecha” (Astrophis. J., doi: 10.3847/1538-4357/ad0973). Por si acaso, también aprovecharon otra tecnología con largas raíces históricas: un globo científico para llevar el telescopio basado en una pila de películas a gran altura para observar bien el cielo de rayos gamma.
Durante un vuelo en globo de 900 kilómetros sobre el centro de Australia, el aparentemente extraño instrumento fue capaz de capturar «varios billones de pistas» de pares electrón-positrón derivados de rayos gamma, con «una precisión de 1/10.000 mm», según el coautor del estudio, Shigeki. Aoki de la Universidad de Kobe. Y, añade Aoki, la precisión del instrumento basado en película permitió medir el púlsar con una resolución “más de 40 veces mayor que la de los telescopios de rayos gamma convencionales”.
Hacia mejores mediciones de rayos gamma
Por supuesto, hoy en día no faltan telescopios de rayos gamma. El Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, en órbita terrestre, por ejemplo, fue lanzado en 2008 y realizó observaciones que cambiaron paradigmas durante su larga misión, al igual que otras misiones espaciales, como el observatorio INTEGRAL de la Agencia Espacial Europea. Varios observatorios terrestres también escanean el cielo en busca de rayos gamma.
El problema con la tecnología actual de los telescopios de rayos gamma, según el nuevo estudio, es que es insuficiente tanto en la resolución del ángulo de incidencia de los rayos gamma como en la sensibilidad de polarización. Mejorar estas deficiencias, dicen los autores, es «la clave para lograr el próximo avance en el campo de la astronomía de rayos gamma».
Pila de panqueques (sostenga el almíbar)
Una imagen de prensa inusual compara la pila de películas de emulsión en el nuevo detector del equipo con una pila de panqueques, y el rastro de rayos gamma con una pajita que pasa a través de la pila en ángulo. [Image: Kobe University]
Hace más de una década, los investigadores detrás del trabajo recientemente reportado encontraron una solución al dilema. Al apilar una gran cantidad de películas en emulsión sensibles a los rayos gamma, pudieron capturar los rastros de pares electrón-positrón creados por los rayos gamma (a través del proceso de producción de pares) a medida que pasaban a través de cada capa de la pila de películas.
En un comunicado de prensa (y una imagen bastante cursi) que acompaña a la investigación, se compara la pila de películas de emulsión con una pila de tortitas. Así como el ángulo de una pajita clavada en una pila de panqueques se puede medir por la posición del agujero en cada capa sucesiva, el ángulo de incidencia de los rayos gamma se puede retraer de manera similar de la pila de películas, con una resolución angular superior. Y, dado que el acimut del plano del par electrón-positrón se correlaciona (aunque débilmente) con la polarización de los rayos gamma, la configuración también se puede utilizar para mediciones de polarización.
Control de posición y tiempo.
El equipo combinó este concepto con algunos sistemas inteligentes adicionales para el control de posición y sincronización de sus observaciones en globo. El núcleo del dispositivo, que los investigadores llaman «convertidor», es una pila de 100 capas de película de 33 mm de espesor, cada una de 330 µm de espesor y cada una de las cuales incluye una capa de emulsión de cristales de bromuro de plata de 75 µm de espesor. El convertidor está diseñado para detectar y rastrear los pares de electrones y positrones producidos a lo largo de una distancia estadísticamente significativa y permitir la medición angular.
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Un esquema del detector de rayos gamma de película de emulsión del equipo. [Image: S. Takahari et al., Astrophys. J. 960, 47 (2024); CC-BY 4.0]
El equipo también necesitaba asegurarse de poder reconstruir la posición precisa (específicamente la actitud) del instrumento transportado por el globo y el momento preciso de cada uno de los rastros de rayos gamma capturados. Para el primer requisito, los investigadores utilizaron un conjunto de tres cámaras estelares separadas por 90 grados en acimut. Esto permite registrar la orientación del instrumento con respecto a estrellas fijas y medir y corregir la actitud del instrumento para cada observación.
Mientras tanto, para determinar el tiempo, el equipo desarrolló una ingeniosa “marca de tiempo” que consta de tres etapas horizontales adicionales de película multicapa, cada una de las cuales se balancea hacia adelante y hacia atrás debajo del convertidor estacionario a velocidades regulares, pero muchas diferentes. El desplazamiento relativo de las pistas capturadas en las capas superiores fijas del convertidor a través de las tres etapas inferiores dependientes del tiempo permite marcar la hora con precisión de cada evento de rayos gamma.
Viaje inaugural
En abril de 2018, cuando los vientos eran favorables para un vuelo entre Alice Springs y Longreach en Australia central, los investigadores colocaron este instrumento inusual en una góndola presurizada cerrada y la fijaron a un globo científico de gran altitud. El globo llevó el instrumento a una altitud de 38 km sobre la superficie de la Tierra. Después de un vuelo de 17,4 horas y 900 km, la góndola fue liberada y lanzada en paracaídas de regreso a la Tierra, donde fue recuperada por los científicos. El vuelo estaba programado para incluir seis horas en las que el púlsar Vela, una estrella de neutrones que gira rápidamente a unos 800 años luz de la Tierra, sería observable continuamente en el cielo.
Según se informa, el sistema permitió obtener imágenes de las emisiones de rayos gamma del púlsar Vela con una resolución angular aproximadamente 40 veces mejor que las mediciones anteriores (línea discontinua). [Image: GRAINE collaboration]
Para dar sentido a la gran cantidad de datos recopilados durante el corto vuelo, los investigadores utilizaron un sistema automatizado de alto rendimiento desarrollado recientemente para otros estudios de emulsión nuclear. Este sistema de alta velocidad, combinado con el convertidor y los datos de emulsión con marca de tiempo, les permitió desarrollar una imagen del púlsar como fuente puntual, con una resolución reportada más de 40 veces mejor que los esfuerzos anteriores.
«Logramos la resolución de imagen más alta del púlsar Vela hasta la fecha», escribe el equipo, «y validamos el funcionamiento del telescopio de emulsión de rayos γ con la resolución angular más alta en este régimen de energía».
Siguiente paso: expansión
Por muy impresionantes que parezcan estos resultados iniciales, el experimento del púlsar Vela es principalmente una prueba de concepto, y el equipo tiene grandes planes para el futuro. Los investigadores se centrarán en particular en aumentar el área sensible del detector y lograr vuelos más largos. También trabajarán para aumentar la eficiencia del procesamiento de los voluminosos datos recopilados por el sistema (posiblemente un factor importante, a juzgar por los más de cinco años transcurridos entre el vuelo de abril de 2018 y la publicación del artículo en diciembre de 2023).
«A través de experimentos científicos con globos, podemos intentar contribuir a muchas áreas de la astrofísica», dijo Aoki en un comunicado de prensa que acompaña a la investigación, «y en particular abrir la telescopía de rayos gamma a la 'astronomía de múltiples mensajeros', 'donde las mediciones simultáneas Se requieren imágenes del mismo evento capturadas utilizando diferentes técnicas”.
