Cosmos

Tecnología mexicana en el espacio para comprender las partículas más poderosas que existen

Ana Cristina Olvera 11 / Sep / 19
Junto con un consorcio de 16 países, México elabora instrumentación espacial para estudiar las partículas más energéticas del universo

Cada una de las partículas que nos llegan del universo nos relatan una historia. Algunas hablan de nuestro Sistema Solar, otras nos cuentan íntimos secretos de la formación y el comportamiento de nuestra galaxia, la Vía Láctea; otras tantas vienen de distancias aún más lejanas y aún intentamos descifrar su mensaje. Es el caso de los rayos cósmicos de ultra altas energías, cuyo origen, naturaleza y composición pueden considerarse uno de los grandes misterios de la física del siglo XXI. 

Misterio que los investigadores de nuestro país buscan resolver como parte de un consorcio de 16 países y más de 300 investigadores que prueba la tecnología necesaria desde el espacio para adentrarse en una nueva área de ciencia de frontera, tanto en la física de partículas como de la cosmología. 

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Fotografía del proyecto Aton donde se muestra una aurora | Foto: LINX

Lluvia de partículas energéticas

El hecho de que existe una radiación de origen cósmico fue señalado por primera vez a inicios del siglo XX por el físico austríaco Victor Hess, a quien le fue otorgado el premio Nobel en 1936, ya que abrió una nueva ventana para el estudio del Universo. 

Los rayos cósmicos no son poco comunes. Son partículas que bombardean a la Tierra constantemente. Están conformados usualmente por protones y núcleos de helio, carbono y demás elementos químicos -también algunos electrones y antimateria. Pero su característica más relevante es su energía de por lo menos millones de millones de electronvoltios.

Sin embargo, existe un tipo de estos rayos que viajan casi a la velocidad de la luz y que llegan a tener energías muy superiores de unos mil millones de millones de electronvoltios, conocidos como rayos cósmicos de ultra alta energía, cuya reproducción con métodos terrestres requeriría que construyéramos un acelerador de partículas más grande que el Sistema Solar. 

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Fotografía representativa de un observatorio para estudiar rayos cósmicos | Foto: Especial

A lo largo de las décadas, los científicos han logrado descifrar que los rayos cósmicos comunes pueden provenir de la explosión de estrellas, conocidas como supernovas, en nuestra galaxia. Pero la naturaleza de los más energéticos, indica que deben venir de eventos extragalácticos y extremadamente poderosos, aunque los detalles precisos de su punto de origen continúan siendo un misterio. 

Una de las mediciones más potentes que se ha detectado fue realizada en 1991 por el observatorio de la Universidad de Utah, a través de un telescopio del Ejército de los Estados Unidos y registró una energía de 300 mil millones de mil millones de electronvoltios.

Estas partículas sólo se presentan una por cada mil años por kilómetro cuadrado, por lo que los detectores que se han desarrollado en el planeta deben ser muy grandes para realmente poder registrarlas. Los instrumentos más importantes para su detección son, por ejemplo el telescopio de rayos cósmicos en el observatorio de la Universidad de Utah, y el Observatorio Pierre Auger, en la ciudad de Malargüe, en la provincia de Mendoza, Argentina, que tiene una extensión de 3 mil kilómetros cuadrados. 

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El Observatorio Pierre Auger en Malargüe, Mendoza (estado en 2011) | Foto: Comisión Nacional de Energía Atómica de Argentina

“Terra incógnita” desde la Estación Espacial

El Doctor Gustavo Medina Tanco, fundador del Laboratorio de Instrumentación Espacial (LINX) del Instituto de Ciencias Nucleares de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), comparte con Tangible los detalles del proyecto EUSO -Extreme Universe Space Observatory- con el que México forma parte del proyecto que ha encontrado una nueva perspectiva para resolver el enigma de las partículas más energéticas que se conozcan en la Tierra: utilizar el espacio. 

Los astronautas de la Estación Espacial Internacional se encuentran desempacado la nave Soyuz MS-14, que lleva en su interior el telescopio Mini-EUSO, la versión completamente espacial de una serie de experimentos, cuyo como objetivo es afinar la tecnología para observar fenómenos cósmicos de esta naturaleza. 

Se trata de un telescopio que mira la atmósfera desde el espacio y puede cubrir áreas del orden de hasta millones de kilómetros cuadrados. Es dar un gran salto en lo que sería la cantidad de partículas que se puedan colectar”,  dice el investigador. 

Así, esta nueva apuesta, de un tamaño muchísimo menor a lo que se debe utilizar en Tierra para poder adentrarse en esta área de estudio -apenas 37 x 37 x 62 cm, con lentes de 25 cm de diámetro- basará sus observaciones en el espectro ultravioleta durante la noche, convirtiéndose en el primer experimento en hacer ese tipo de observaciones. “Eso abre una serie de oportunidades de hacer ciencia. Por un lado está lo que a nosotros nos interesa específicamente, como colaboración de física de partículas, que es el tratar de observar rayos cósmicos de ultra altas energías y de entender y calibrar la tecnología que se precisa para hacerlo. Pero, inclusive, también habría posibilidad de observar, si existieran, partículas muy especiales, que se llaman materia quarkónica extraña, que puede entrar a la atmósfera y quemarse ahí, produciendo trazas que podría observar este telescopio.”, afirma Medina Tanco.

Participación universitaria

La Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), a través del equipo de alrededor de 50 colaboradores del laboratorio LINX -entre alumnos de distintas carreras y niveles de estudios, hasta investigadores-  participa en toda la cadena del proceso, desde el diseño, la justificación científica, concepción, construcción, validación, vuelo, utilización de los datos, dispersión de conocimiento. “En particular, nosotros desarrollamos un sistema que se denomina housekeeping, que es un sistema de monitoreo de sensores, telemetría y telecomunicaciones internas del instrumento.”, dice el científico

Éste fruto de la intensa colaboración se va a instalar a mediados de octubre en el módulo ruso Svezda y será operado por astronautas especialmente entrenados para hacerlo que aún esperan su viaje de ida al laboratorio orbital. Los datos que producirá durante por lo menos un año, bajarán a la Tierra, una parte por radio, y otra gran parte en discos de almacenamiento, transportados por una nave Soyuz u otras naves que vuelvan de sus visitas de reabastecimiento a la estación de rutina. Eventualmente, esos datos de la colaboración internacional serán accesibles para que se pueden utilizar para trabajos de investigación que podrían ser de gran relevancia para la ciencia en todo el mundo. 

Tal como lo expresa el investigador: “Con respecto a la observación de materia quarkónica extraña, por ejemplo, puede que se encuentre o no. Pero, en cualquier caso, es un resultado importante, [...] si la detectas, obviamente validaste que existe, y si no la detectas, [...] se van poniendo límites. En cuanto al área de rayos cósmicos y ultraenergía, éste instrumento es demasiado chico todavía, entonces, lo primero que hace es validar la tecnología que se necesita. [...] Pero toda esa región de energías tan altas es casi el equivalente a lo que se podría decir, tierra incógnita. O sea, nadie ha observado ahí, nadie ha visto si existe algo ahí. Si este instrumento las viera, pues realmente estaría diciendo algo muy fundamental al respecto del universo.”

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Objetivos científicos del experimento Mini-EUSO | Foto: Mini-EUSO

Una cadena de esfuerzos 

Este tipo de observaciones son sumamente difíciles, muy delicadas, con muchos problemas y limitantes técnicas. Entonces, por lo que el experimento ahora en el espacio es el resultado de un desarrollo de varios años de una serie de proyectos para demostrar efectivamente y afinar la tecnología que se precisa. Y que, además, convirtieron a LINX en el primer laboratorio en México que ha puesto instrumentación espacial en la estratósfera y, ahora también, el primero en poner instrumentación espacial completamente desarrollada en México en el espacio.

El paso inicial fue la elaboración de un telescopio de media tonelada que se puso, no en la estratósfera, sino en lo que se denominan vuelos suborbitales a 40 km de altura. Desarrollado por un subconjunto de países de esa colaboración, y que fue coordinado por la agencia espacial francesa. “Ese lo volamos hace unos 3 años desde Canadá. Se llamó EUSO Balloon.”

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EUSO-Balloon | Foto: LINX-UNAM

El segundo fue un instrumento bastante más grande. EUSO-Super Pressure Balloon, que fue hecho bajo la coordinación de NASA, y voló en 2017 de unos 120 metros de diámetro desde Nueva Zelandia, sobre el océano pacífico. 

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EUSO-SPB | Foto: LINX-UNAM

Algunos fines prácticos

Por si desentrañar uno de los misterios más grandes que nos guarda el universo fuera poco, la tecnología que está por probarse a bordo de la Estación Espacial Internacional podría ser la precursora de herramientas que nos ayuden a resolver problemas de gran relevancia en nuestra vida cotidiana. 

El Dr. Medina Tanco apunta que el instrumento tiene la vertiente de poder utilizarse para la observación de bioluminiscencia en los océanos, que se puede conectar con la salud del plancton, organismo que está en la base de la cadena alimentaria y, por lo tanto, es un componentes muy importante de la ecología terrestre. Desarrollando esta potencialidad, se podrían monitorear efectos del cambio climático sobre ellos o de dispersión de elementos contaminantes en agua y cómo nos afectan. 

Otro uso interesante podría encontrarse en este instrumento para resolver uno de los problemas más inminentes en la exploración y explotación actual del espacio: la basura espacial.

Según datos de la Oficina del Programa de la NASA de Restos Orbitales, actualizados al 30 de junio de este año, más de 23 mil piezas de basura espacial se encuentran en órbita alrededor del planeta. Pero estos son sólo los de tamaños mayores  a los diez centímetros que pueden ser detectados por los radares en la Tierra. Más pequeños que eso son hasta ahora prácticamente invisibles a los ojos humanos para hacer maniobras en los satélites e instrumentos y se calcula que hay más de 500 mil fragmentos.

“Este instrumento puede probar ver, en principio, la basura espacial que está abajo de la Estación Espacial Internacional, en el ultravioleta, y tratar de determinar sus parámetros orbitales. En un futuro, existe también, como un subproducto de esta colaboración internacional de física de partículas, la posibilidad de desarrollar también un láser, con una óptica, que sería semejante a la que se usa y tratar de desorbitar, es decir, de tirar hacia la atmósfera de nuevo, a pedazos de basura espacial. Pedazos chicos, que son los más complicados [...] Aunque sea un pequeño pedazo de metal, que te golpee una nave, pues la puede destruir.”
 

Autor: Ana Cristina Olvera
Licenciada en Filosofía y Maestra en Emprendimiento Social, con larga trayectoria en la comunicación. Fue directora de Difusión y Relaciones Interinstitucionales de la Agencia Espacial Mexicana. Actualmente es conductora de INTERFAZ, y co-conductora del Noticiero Científico y Cultural Iberoamericano. Colabora en Radio UNAM y NASA en español, entre otros medios nacionales e internacionales. Creadora del proyecto 4ta Revolución.