¿Qué es CTAO?

CTAO es un proyecto global a gran escala para construir una nueva generación de telescopios Cherenkov dedicada al estudio del universo en rayos gamma de muy alta energía. Será el instrumento más grande, sensible y avanzado jamás construido para la Astronomía de rayos gamma y el primer observatorio terrestre de su tipo abierto a la comunidad astronónica mundial y a la de Física de Partículas.

El observatorio tiene dos emplazamientos, cada uno en un hemisferio. En el norte, CTAO tiene su ubicación en el Observatorio del Roque de los Muchachos, del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), en la isla de La Palma (España). En el hemisferio sur, CTAO está situado en el Observatorio Paranal, del European Southern Observatory (ESO), en el desierto de Atacama (Chile).

CTAO acogerá tres tipos de telescopios: Large-Sized Telescopes (Telescopios Grandes, LSTs por sus siglas en inglés), Medium-Sized Telescopes (Telescopios Medianos, MSTs por sus siglas en inglés) y Small-Sized Telescopes (Telescopios Pequeños, SSTs por sus siglas en inglés) para cubrir un amplio rango de radiación gamma desde 20 GeV hasta 300 teraelectronvoltios (TeV). El plan para el emplazamiento norte incluye 4 LST y 9 MST, mientras que en el sur contará con los tres tipos de telescopios: 4 LST, 25 MST y 70 SST. En conjunto, CTAO tendrá una precisión sin precedentes y será 10 veces más sensible que los instrumentos existentes.

La planificación de la construcción del Observatorio está gestionada por la sociedad CTAO gGmbH a través del Consejo CTAO, que está formado por accionistas y miembros asociados de un número creciente de países. CTAO gGmbH trabaja en estrecha colaboración con el Consorcio CTAO, que incluye a más de 1.400 científicos e ingenieros de 31 países que participan en el desarrollo científico y técnico de CTAO. Se está preparando un acuerdo intergubernamental para la construcción y posterior puesta en marcha del observatorio, para el que está previsto un Consorcio Europeo de Infraestructuras de Investigación (ERIC).

La construcción de CTAO tendrá un coste total de más de 200 millones de euros, de los que se calcula que 90 millones estarán dedicados a los telescopios que se están instalando en La Palma. La red CTAO-Norte, que se prevé que entre en funcionamiento en 2024, tendrá una inversión estimada, tanto en compras de bienes y servicios como en contratación de personal, de más de 2 millones de euros al año.

Las actuaciones del IAC en el proyecto CTAO están financiadas con cargo a los proyectos "Los cuatro Large Size Telescopes (LST) del CTA-Norte en el ORM” de referencia ESFRI-2017-01-IAC-12 y "Contribución española a los primeros cinco Medium Size Telescopes (MST) del CTA-Norte en el ORM” de referencia ESFRI-2020-01-IAC-12, del Ministerio de Ciencia e Innovación, cofinanciado en un 85% con Fondos Europeos de Desarrollo Regional (FEDER) del Programa Operativo de Crecimiento Inteligente 2014- 2020; con la cofinanciación de Fondos de Desarrollo de Canarias (FDCAN), procedentes del Cabildo Insular de la Palma (2016-2018), la cofinanciación del Gobierno de Canarias, a través de la Agencia Canaria de Investigación Innovación y Sociedad de la Información (ACIISI); y de los Presupuestos Generales del Estado del Ministerio de Ciencia e Innovación a través de la contribución de la fase transitoria del CTAO.

Ciencia con CTAO

La astronomía de rayos gamma terrestre es un campo joven de la física con enorme potencial científico. CTAO será sensible a los rayos gamma de alta energía, haciendo posible el estudio de procesos físicos que suceden en los ambientes más violentos del universo.

CTAO será una fuente de datos únicas que no sólo permitirá una comprensión profunda y precisa de los objetos y mecanismos ya conocidos del universo, sino que también será capaz de detectar nuevas clases de emisores de rayos gamma y nuevos fenómenos, y aportará importantes descubrimientos en física fundamental.

En nuestra galaxia, CTAO podrá observar:

• Remanentes de explosiones de supernova (SNR, por sus siglas en inglés) y nuevos pleriones (nebulosas alrededor de púlsares), que nos permitirán indagar en el origen de los rayos cósmicos.
• Nuevos sistemas binarios, compuestos por dos estrellas o por una estrella y un objeto compacto (como una estrella de neutrones o un agujero negro), que nos permitirán estudiar la emisión de rayos gamma constante o variable en diferentes escalas temporales.

Más allá de la Vía Láctea, CTAO será capaz de detectar:

• Explosiones cósmicas transitorias, muy brillantes, denominadas estallidos de rayos gamma. Muchas de estas fuentes emiten rayos gamma de muy alta energía y están relacionadas con estrellas de neutrones y agujeros negros.
• Núcleos activos de galaxias (AGNs, por sus siglas en inglés), algunos de los cuales no se han detectado en el rango de rayos gamma todavía.
• Galaxias de formación estelar, incluyendo las llamadas galaxias con brote estelar.
• Cúmulos de galaxias, los cuales son objetivos prometedores para detectar materia oscura, así como para investigar la aceleración de rayos cósmicos.

Los rayos gamma detectados con CTAO también pueden proporcionar una firma directa de la materia oscura, evidencia de desviaciones de la teoría de la relatividad de Einstein y respuestas definitivas al contenido de los vacíos cósmicos, el espacio vacío que existe entre los filamentos de las galaxias en el Universo.

La tecnología de CTAO

CTAO no detectará los rayos gamma directamente, ya que estos en realidad nunca llegan a la superficie terrestre, sino luz Cherenkov. Los rayos gamma interactúan con la atmósfera terrestre, produciendo cascadas de partículas subatómicas que viajan a velocidades más elevadas que la luz en el aire. Esta lluvia de partículas cargadas de muy alta energía genera un cono de luz azulada que recibe el nombre de radiación Cherenkov. La duración del pulso de luz es de milmillonésimas de segundo y su brillo es demasiado débil como para ser detectado por el ojo humano. Sin embargo, CTAO podrá captar de forma eficiente este tipo de radiación gracias a sus grandes espejos recolectores de luz y sus detectores ultrasensibles.

Los LST están diseñado para capturar las señales breves de los rayos gamma de más baja energía (20 GeV - 3 TeV). Miden 45 m y pesan unas 100 toneladas. Los espejos tienen 23 m de diámetro, mientras que las cámaras cubren un campo de 4,5 grados. Son capaces de reapuntar hacia cualquier nuevo blanco en el cielo en un lapso de 20 segundos.

Los MST cubren la zona central del rango energético de CTA (80 GeV - 50 TeV). Tienen 27 m de altura y 80 toneladas de peso. Los espejos de los MSTs son de 12 m de diámetro y el campo de visión de sus cámaras es de 7,5-7,7 grados..

Los SST son sensibles a los rayos gamma de energía más alta (1-300 TeV). Sus espejos tienen unos 4 m de diámetro y sus cámaras, un campo de visión de 8-10 grados. Miden 9 m y pesan entre 9 a 19 toneladas. Los SST estarán distribuidos solamente en el conjunto del hemisferio sur.

En total, CTAO usará más de 7.000 segmentos altamente reflectantes en sus espejos (con diámetros de 90 cm a 2 m) para enfocar la luz hacia las cámaras de los telescopios. Las cámaras emplearán digitalización de alta velocidad y una tecnología de disparo capaz de registrar mil millones de fotogramas por segundo; además, serán lo suficientemente sensibles como para resolver fotones individuales.

Dispondrá de tubos fotomultiplicadores (PMT) y fotomultiplicadores de silicio (SiPM) de, en total, más de 200.000 pixeles ultrarápidos encargados de convertir la luz en una señal eléctrica que luego será digitalizada y transmitida. Los SiPM pueden operar con niveles elevados de luz lunar, mejorando la eficiencia de CTAO para recoger la luz Cherenkov en presencia de Luna.

CTAO es un proyecto de big data o datos masivos. Se espera que el Observatorio genere aproximadamente 100 petabytes (PB) de información en los primeros cinco años de operaciones.

Estado del proyecto

El proyecto para construir el CTAO está muy avanzado: el prototipo del Telescopio Mediano y los tres diseños propuestos de Telescopio Pequeño han logrado "la primera luz", y el prototipo del Telescopio de Tamaño Grande, el LST-1, fue inaugurado en octubre de 2018. Estos prototipos deberán someterse a pruebas de verificación antes de ser considerados para su aceptación por el observatorio CTAO.