El Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) será el principal observatorio astronómico de rayos gamma de muy alta energía durante las próximas décadas. Su potencial científico abarca desde la comprensión del origen y el papel de las partículas cósmicas relativistas hasta la búsqueda de la materia oscura. Con más de sesenta telescopios ubicados en los hemisferios norte y sur (en la isla de la Palma y en Chile), CTAO será el primer observatorio abierto terrestre de rayos gamma. Ahora, un artículo confirma que el prototipo de telescopio de gran tamaño (Large-Sized Telescope, LST-1) cumple los requerimientos necesarios para formar parte del que será el instrumento terrestre más sensible del mundo para la detección de rayos gamma de muy alta energía.

Imagen compuesta de la nebulosa del Cangrejo. Crédito: NASA, ESA, NRAO/AUI/NSF and G. Dubner (University of Buenos Aires).

El estudio, realizado por la Colaboración LST, describe las capacidades del telescopio, incluyendo parámetros clave como su sensibilidad y su resolución angular y energética, y valida las simulaciones necesarias para el análisis de datos. Este documento es fundamental para las próximas publicaciones científicas, ya que establece la referencia del desempeño del instrumento y garantiza la fiabilidad del análisis de sus datos.

“En palabras sencillas, este artículo es un manual sobre cómo funciona el telescopio: muestra sus capacidades y limitaciones”, explica Abelardo Moralejo, uno de los coordinadores del software de análisis del LST-1 y autor del artículo. “Nos permite evaluar posibles errores sistemáticos que podrían afectar a la interpretación de los datos. Por lo tanto, una comprensión profunda del rendimiento del telescopio, para lo cual este trabajo es un paso importante, garantiza que los resultados científicos con el LST-1 sean confiables y reproducibles”.

Para evaluar el rendimiento del LST-1, la Colaboración LST utilizó datos de las observaciones de la Nebulosa del Cangrejo realizadas desde noviembre de 2020 hasta marzo de 2022. La Nebulosa del Cangrejo se considera una fuente de calibración en astronomía de rayos gamma de muy alta energía, ya que su luminosidad es conocida y estable a esas energías. Tales observaciones permitieron al equipo verificar también que las simulaciones necesarias para el análisis de datos científicos fueran correctas.

“El análisis de los datos de la Nebulosa del Cangrejo proporciona información valiosa sobre su comportamiento de emisión y su evolución con la energía y el tiempo. Al comparar los resultados con lo que esperamos de la fuente como una candela estándar, podemos determinar la sensibilidad y precisión del instrumento y corregir nuestras simulaciones, si es necesario”, apunta Rubén López-Coto, investigador del IAA-CSIC, otro de los coordinadores del software de análisis LST-1 y autor del artículo. “El estudio muestra que el telescopio no solo funciona excepcionalmente bien en general, como se esperaba, sino que también reduce la brecha con otros instrumentos a niveles de energía más bajos, gracias a su probado umbral de baja energía”.

El telescopio LST-1 de CTAO.

El umbral de baja energía es un parámetro fundamental de los LSTs, ya que estos telescopios son los encargados de cubrir la sensibilidad del CTAO a las energías más bajas, detectando rayos gamma hasta 20 GeV. El estudio del desempeño del telescopio se complementa con observaciones del púlsar del Cangrejo, la estrella de neutrones que rota en el centro de la Nebulosa del Cangrejo.

“Los púlsares son fuentes muy difíciles de detectar debido a su señal débil”, apunta Masahiro Teshima, investigador principal de la Colaboración LST. “El LST-1 puede detectar los dos pulsos del púlsar Cangrejo en un tiempo récord. Este no es solo un resultado extraordinario, sino que también demuestra las capacidades del LST-1 para detectar fuentes débiles a bajas energías”.

“Este artículo es un hito para CTAO y el consorcio internacional asociado a su diseño y construcción (CTAC). Es el primero de este tipo de estudios que se realiza para un telescopio que formará parte de dicho observatorio, respaldando años de trabajo y planificación de este instrumento. Asimismo, augura un futuro científico prometedor para CTAO como la instalación mundial más relevante dentro de la astrofísica de rayos gamma de muy alta energía en las próximas décadas”, concluye Daniel Morcuende, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía y otro de los autores de este trabajo.

Los telescopios de gran tamaño del CTAO

CTAO explorará el universo extremo desde los dos hemisferios (en Paranal, Chile, y en la isla de La Palma, en Canarias) y estudiará desde el entorno más cercano de agujeros negros hasta las regiones de baja densidad del universo a gran escala. Con una capacidad sin precedentes para observar un enorme rango de energía de fotones -desde 20 gigaelectronvoltios (GeV) hasta 300 teraelectronvoltios (TeV)-, CTA mejorará en todos los aspectos las capacidades de los instrumentos actuales. Su mayor sensibilidad le permitirá detectar emisión de rayos gamma de fuentes astrofísicas mucho más rápido que los telescopios actuales.

Para cubrir su extenso rango energético, CTAO necesitará tres clases de telescopios: los de gran tamaño, o Large-Sized Telescopes (LSTs), de tamaño mediano, o Medium-Sized Telescopes (MSTs), y de tamaño pequeño, o Small-Sized Telescopes (SSTs). Los LSTs, protagonistas del reciente trabajo, están optimizados para el rango bajo de energía de CTAO (desde aproximadamente 20 GeV). Los rayos gamma de más baja energía necesitan telescopios con grandes superficies de espejos capaces de recoger la débil luz Cherenkov de las cascadas atmosféricas de partículas. Por ello, los LSTs están formados por 198 espejos, creando una superficie reflectante de veintitrés metros de diámetro y unos cuatrocientos metros cuadrados.

Concepción artística de los dos emplazamientos del CTAO.

El prototipo del LST, el LST-1, es el único telescopio instalado en un emplazamiento CTAO, en CTAO-Norte. Este enorme telescopio de veintitrés metros de diámetro mide cuarenta y cinco metros de alto y pesa alrededor de cien toneladas. Sin embargo, es extremadamente ágil, con la capacidad de reposicionarse en solo veinte segundos para capturar breves señales de rayos gamma de baja energía. Su rápido reposicionamiento, así como su bajo umbral de energía, hacen del LST un telescopio clave para CTAO en el estudio de fuentes transitorias dentro y fuera de nuestra Galaxia, como los escurridizos estallidos de rayos gamma.

El LST-1 se inauguró en octubre del 2018, captó su “primera luz” en diciembre de ese año, registró su primera señal de rayos gamma procedente de la Nebulosa del Cangrejo en noviembre del 2019 y detectó, en un tiempo récord, el Púlsar del Cangrejo en junio del 2020.

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