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Noticias de Óptica y Fotónica – Un “telescopio” basado en rayos gamma

Noticias de Óptica y Fotónica – Un “telescopio” basado en rayos gamma

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Un equipo de investigadores de varias universidades japonesas ha desarrollado un observatorio de rayos gamma a bordo de un globo que consta de una serie de docenas de finas películas en emulsión. Los rastros de partículas debidos a la radiación aparecen como pequeños puntos en cada capa de película individual. [Image: GRAINE collaboration]

En la era de la fotografía digital de alta resolución disponible al instante, es fácil concluir que la tecnología fotográfica más antigua (película tradicional basada en emulsión) no tiene mucho que ofrecer. Sin embargo, parece que las películas en emulsión todavía tienen sus usos.

Caso concreto: 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 lo que los autores dicen que es “el nivel más alto”. “de resolución angular. para cualquier telescopio de rayos gamma hasta la fecha” (Astrophis. J., doi: 10.3847/1538-4357/ad0973). Afortunadamente, también aprovecharon otra tecnología con largas raíces históricas: un globo científico para volar el telescopio ubicado en un set de película a gran altura para observar más de cerca el cielo de rayos gamma.

Durante un vuelo en globo de 900 kilómetros a través del centro de Australia, el instrumento de aspecto incómodo pudo capturar “varios billones de trayectorias” de pares electrón-positrón derivados de rayos gamma, “con una resolución de 1/10.000 mm”, según el estudio co -autor Shigeki Aoki de la Universidad de Cuba. La resolución 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”, añade Aoki.

Hacia mejores mediciones de rayos gamma

Por supuesto, hoy en día no faltan telescopios de rayos gamma. Por ejemplo, el telescopio espacial de rayos gamma Fermi, en órbita terrestre, lanzado en 2008, realizó observaciones que cambiaron paradigmas en su larga misión, al igual que otras misiones espaciales como el Observatorio Integral de la Agencia Espacial Europea. Múltiples observatorios terrestres también exploran el cielo de rayos gamma.

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Según el nuevo estudio, el problema de la tecnología actual de los telescopios de rayos gamma es que no logran determinar el ángulo de incidencia de los rayos gamma ni son sensibles a la polarización. Mejorar estas deficiencias es “clave para lograr los próximos avances en el campo de la astronomía de rayos gamma”, afirman los autores.

Apilar panqueques (sostener el almíbar)

Un artista se burla de un detector de película delgada como si fuera una pila de panqueques

Una fotografía de prensa inusual compara la pila de películas de emulsión en el nuevo detector del equipo con una pila de panqueques, y la trayectoria de los 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 de la nueva investigación encontraron una solución a este dilema. Al apilar una gran cantidad de películas de emulsión sensibles a los rayos gamma, pueden capturar las trayectorias de los pares de electrones y positrones creados por los rayos gamma (a través del proceso de producción de pares) a medida que pasan a través de cada capa de la pila de películas.

En un comunicado de prensa (y una foto un tanto cómica) que acompaña a la investigación, se comparó una pila de películas de emulsión con una pila de panqueques. Así como el ángulo de la pajita pegada a la pila de pasteles se puede medir por la posición del agujero en cada capa sucesiva, también se puede rastrear el ángulo de incidencia de los rayos gamma desde la pila de película – con extremos angulares. precisión. Dado que el acimut del plano del par electrón-positrón está relacionado (aunque débilmente) con la polarización de los rayos gamma, la configuración también se puede utilizar para mediciones de polarización.

Controlar la situación y el tiempo.

El equipo combinó este concepto con algunos sistemas adicionales inteligentes para controlar la ubicación y el tiempo de sus observaciones desde globos. El núcleo del dispositivo, que los investigadores llaman “transductor”, es una pila de 33 mm de espesor de 100 capas de película, cada una de 330 micrómetros de espesor y cada una de las cuales contiene una capa de emulsión de cristales de bromuro de plata de 75 micrómetros de espesor. El transductor está diseñado para detectar y rastrear electrones y positrones producidos a través del par a lo largo de una distancia estadísticamente significativa, lo que permite la medición angular.

El equipo también necesitaba asegurarse de poder reconstruir la ubicación exacta (específicamente la actitud) del instrumento a bordo del globo y el momento exacto de cada una de las trayectorias de rayos gamma que capturó. 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 en relación con las estrellas fijas y luego medir y corregir la orientación del instrumento en cada observación.

Mientras tanto, para determinar el tiempo, el equipo desarrolló una innovadora “marca de tiempo”, que consta de tres etapas horizontales de películas multicapa adicionales, con cada etapa oscilando hacia adelante y hacia atrás debajo del transformador estacionario a velocidades uniformes pero diferentes. El desplazamiento relativo de las trayectorias capturadas en las capas superiores fijas del transformador a través de las tres fases inferiores dependientes del tiempo permite una marca de tiempo precisa para cada evento de rayos gamma.

Primer viaje

En abril de 2018, cuando los vientos eran adecuados para un vuelo entre Alice Springs y Longreach en Australia central, los investigadores empaquetaron este instrumento inusual en una góndola presurizada cerrada y la conectaron a un globo científico de gran altitud. El globo llevó el aparato a una altura de 38 kilómetros sobre la superficie de la Tierra. Después de un viaje de 17,4 horas y 900 kilómetros, la góndola fue lanzada y llevada en paracaídas hasta la Tierra, donde los científicos la recuperaron. El vuelo está programado para incluir 6 horas durante las cuales se puede observar continuamente en el cielo el púlsar de Velea, una estrella de neutrones que gira rápidamente y se encuentra a unos 800 años luz de la Tierra.

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 un convertidor y datos de emulsión de 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.

“Hemos logrado la imagen de mayor resolución del púlsar Vela hasta la fecha y validamos el funcionamiento del Telescopio de Emulsión de Rayos Gamma con la resolución angular más alta en este régimen energético”, escribió el equipo.

Siguiente paso: expansión

Aunque estos resultados iniciales parecen impresionantes, el experimento del púlsar Vela constituye esencialmente una prueba de concepto, y el equipo tiene grandes planes para el futuro. Los investigadores se centrarán especialmente en aumentar el área sensible del detector y lograr vuelos más largos. También mejorarán la eficiencia del procesamiento de los enormes datos resultantes recopilados por el sistema (quizás 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).

“Con experimentos científicos a bordo de globos, podemos intentar contribuir a muchas áreas de la astrofísica, en particular abriendo los telescopios de rayos gamma a la astronomía de múltiples mensajeros”, dijo Aoki en un comunicado de prensa que acompaña a la investigación, “donde las mediciones simultáneas de la Se necesita el mismo evento a través de diferentes técnicas”.

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