Un telescopio en el fondo del mar para observar el universo más recóndito

El fondo del mar no parece ser el mejor lugar para instalar un telescopio. Y, sin embargo, es el emplazamiento idóneo para estudiar algunas de las zonas más recónditas del universo. Lugares de extraordinaria densidad o muy alejados en los que se producen algunos de los fenómenos más violentos del cosmos (explosiones de rayos gamma, núcleos de galaxias activas) escapan de los métodos de estudio convencionales y solo pueden ser analizados gracias a una tecnología que consiste en detectar neutrinos procedentes de lejanas galaxias para reconstruir los confines del espacio.

Los neutrinos son unas partículas que transmiten información muy valiosa, pero son muy escurridizos ya que apenas interaccionan con la materia. Por ello, los sensores capaces de detectar su rastro requieren de unas condiciones especiales que solo se dan en entornos de grandes volúmenes de hielo o agua. Un proyecto europeo con participación española ha diseñado el que será el mayor telescopio de neutrinos del mundo. El dispositivo -que funciona como una red de sensores- se comenzará a instalar este año a más de 2.500 metros de profundidad en distintos puntos del Mediterráneo.

Con una inversión prevista de 150 millones de euros, estará a pleno rendimiento en 2020. Hace menos de dos años, un equipo similar (el IceCube), emplazado en el hielo de la Antártida consiguió identificar por primera vez neutrinos de origen cósmico de alta energía. En el Mediterráneo, un proyecto de menor tamaño (Antares) lleva funcionando desde 2007 y ha servido de banco de pruebas del futuro KM3NeT (acrónimo en inglés de telescopio de neutrinos de un kilómetro cúbico, en referencia al volumen de agua que analizará). Un centenar de investigadores de las 40 instituciones que participan en esta iniciativa –procedentes de 10 países- se reunieron recientemente en Valencia para preparar la puesta en marcha de este nuevo telescopio.

“El mensajero por excelencia de la información del universo es la luz [los fotones], sobre ella se basa la astronomía”, explica, Juan José Hernández Rey, del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), un centro mixto del CSIC y la Universitat de València que lidera la participación española. “Ello incluye tanto la luz visible como todo el espectro electromagnético, desde los infrarrojos hasta los rayos X o los gamma”, añade. También sirven para estudiar el espacio los rayos cósmicos que llegan a la tierra (protones y núcleos atómicos).

Pero a alta energía, los neutrinos tienen importantes ventajas sobre ellos: no son absorbidos por la materia intergaláctica, ni por la que rodea a las fuentes que los generan. Además, como no cuentan con carga eléctrica, sortean los campos magnéticos sin desviarse. Por ello, pueden atravesar zonas muy densas, cargadas de materia, y cruzar enormes distancias sin transformarse.

Estas propiedades hacen posible reconstruir fielmente la dirección de donde proceden a través de su trayectoria y obtener datos muy valiosos de su procedencia. Pero también complican  extraordinariamente que se les pueda dar caza. Es muy difícil que colisionen con la materia y así registrar su paso. En todo caso, a pesar de que se trata de un fenómeno muy infrecuente, a veces sucede.

En estos casos excepcionales, un neutrino interacciona con la materia, choca contra el núcleo de un átomo y surge otra partícula secundaria denominada muón. Esta partícula elemental genera una onda luminosa, una luz azulada denominada luz de Cherenkov. Se trata del mismo tipo de radiación electromagnética que se produce en las piscinas de las centrales nucleares que dan a estas instalaciones un tono casi fluorescente. Es un destello tenue y fugaz, casi imperceptible.

Este fenómeno solo es visible en el agua o el hielo. Al ser tan poco frecuente, cuantas mayores sean las cantidades de materia (en este caso, de agua) sometidas a observación, más fácil será cazar a los escasísimos neutrinos que generen la luz que revela su presencia.

Por ello se despliegan grandes redes de detectores dispuestos en línea (una especie de collares con cuentas colgantes). El prototipo ya en marcha, Antares, está situado a unos 40 kilómetros de las costas de Marsella y consta de 12 líneas que contienen un total de 1.000 sensores ultrarrápidos capaces de registrar estas señales luminosas. El objetivo del KM3NeT es emplear hasta 12.000 detectores capaces de vigilar simultáneamente un kilómetro cúbico de agua en busca de que se produzca este pequeño destello. Para ello, se anclarán nuevos módulos frente a Sicilia, cerca de Catania, además de Marsella.

Para evitar la contaminación de otras fuentes de luz o las interferencias de los rayos cósmicos que bombardean la superficie terrestre, los equipos se encuentran sumergidos a gran profundidad. A partir de algo más de 700 metros -depende de la turbidez del agua- los rayos del sol ya no son perceptibles. Pero puede haber especies submarinas bioluminiscentes e incluso otras fuentes de radiación, como el potasio 40, que es muy frecuente en toda la Tierra, capaces de engañar a los sensores. Para esquivar todo este ruido lumínico, los equipos se instalan entre los 2.000 y los 3.500 metros bajo la superficie del mar. Curiosamente, los neutrinos que se detectan son los que provienen de las antípodas. Cruzan la masa de agua, las distintas capas de la Tierra, salen de nuevo al mar e interaccionan cerca del telescopio produciendo un muón, cuyo destello Cherenkov revelará su presencia.

Frente al proyecto IceCube de la Antártida, Hernández Rey destaca que la iniciativa europea cuenta con varias ventajas. “El agua ofrece mayor resolución que el hielo”, indica. Pero además, “al estar en el hemisferio norte podemos ver el centro de nuestra galaxia”, por lo que la iniciativa europea “aún siendo complementaria, es más competitiva”. La primera fase debe estar acabada a finales del año que viene: se desplegarán 30 líneas con 2.500 detectores de los 12.000 previstos.