Un telescopi al fons del mar per observar l’univers més recòndit

El fons del mar no sembla que sigui el millor lloc per instal·lar-hi un telescopi. I, no obstant això, és l'emplaçament idoni per estudiar algunes de les zones més recòndites de l'univers. Indrets d'una densitat extraordinària o molt allunyats en què es produeixen alguns dels fenòmens més violents del cosmos (explosions de rajos gamma, nuclis de galàxies actives), que s'escapen dels mètodes d'estudi convencionals i només es poden analitzar gràcies a una tecnologia que consisteix a detectar neutrins procedents de galàxies llunyanes per reconstruir els confinis de l'espai.

Els neutrins són unes partícules que transmeten informació molt valuosa, però són molt difícils de localitzar, ja que gairebé no interaccionen amb la matèria. Per això, els sensors capaços de detectar-ne el rastre requereixen d'unes condicions especials que només es donen en entorns amb grans volums de gel o aigua. Un projecte europeu amb participació espanyola ha dissenyat el que serà el principal telescopi de neutrins del món. El dispositiu –que funciona com una xarxa de sensors– es començarà a instal·lar aquest any a més de 2.500 metres de profunditat en diferents punts del Mediterrani.

Amb una inversió prevista de 150 milions d'euros, funcionarà a ple rendiment el 2020. Fa menys de dos anys, un equip similar (IceCube), situat al gel de l'Antàrtida, va aconseguir identificar per primera vegada neutrins d'origen còsmic d'alta energia. Al Mediterrani, un projecte de menys dimensions (Antares) funciona des del 2007 i ha servit de banc de proves del futur KM3NeT (acrònim en anglès de telescopi de neutrins d'un quilòmetre cúbic, en referència al volum d'aigua que analitzarà). Un centenar d'investigadors de les 40 institucions que participen en aquesta iniciativa –procedents de 10 països– es van reunir fa poc a València per preparar l'engegada d'aquest nou telescopi.

“El missatger per excel·lència de la informació de l'univers és la llum [els fotons], en ella es basa l'astronomia”, explica Juan José Hernández Rey, de l'Institut de Física Corpuscular (IFIC), un centre mixt del CSIC i la Universitat de València que lidera la participació espanyola. “Això inclou tant la llum visible com tot l'espectre electromagnètic, des dels infrarojos fins als rajos X o els gamma”, afegeix. També serveixen per estudiar l'espai els rajos còsmics que arriben a la terra (protons i nuclis atòmics).

Però quan hi ha una alta energia, els neutrins tenen avantatges importants: no són absorbits per la matèria intergalàctica, ni per la que envolta les fonts que els generen. A més, com que no tenen càrrega elèctrica, esquiven els camps magnètics sense desviar-se. Per això, poden travessar zones molt denses, carregades de matèria, i creuar grans distàncies sense transformar-se.

Aquestes propietats fan possible reconstruir fidelment la direcció d'on procedeixen a través de la seva trajectòria i obtenir dades molt valuoses de la seva procedència. Però també compliquen  extraordinàriament que se'ls pugui caçar. És molt difícil que col·lisionin amb la matèria i així registrar el seu pas. En tot cas, tot i que es tracta d'un fenomen molt poc habitual, de vegades passa.

En aquests casos excepcionals, un neutrí interacciona amb la matèria, xoca contra el nucli d'un àtom i sorgeix una altra partícula secundària anomenada muó. Aquesta partícula elemental genera una ona lluminosa, una llum blava anomenada llum de Txerenkov. Es tracta del mateix tipus de radiació electromagnètica que es produeix a les piscines de les centrals nuclears que donen a aquestes instal·lacions un to gairebé fluorescent. És un centelleig tènue i fugaç, gairebé imperceptible.

Aquest fenomen només és visible a l'aigua o el gel. Com que és tan poc freqüent, com més altes siguin les quantitats de matèria (en aquest cas, d'aigua) sotmeses a observació, més fàcil serà caçar els escassíssims neutrins que generin la llum que revela la seva presència.

Per això es despleguen grans xarxes de detectors disposats en línia. El prototip ja en marxa, Antares, està situat a uns 40 quilòmetres de les costes de Marsella i consta de 12 línies que contenen un total de 1.000 sensors ultraràpids capaços de registrar aquests senyals lluminosos. L'objectiu del KM3NeT és emprar fins a 12.000 detectors capaços de vigilar simultàniament un quilòmetre cúbic d'aigua buscant que es produeixi aquest petit espurneig. Per això, s'ancoraran nous mòduls davant de Sicília, prop de Catània, a més de Marsella.

Per evitar la contaminació d'altres fonts de llum o les interferències dels rajos còsmics que bombardegen la superfície terrestre, els equips es troben submergits a gran profunditat. A partir d'una mica més de 700 metres –depèn de la terbolesa de l'aigua– els rajos del sol ja no són perceptibles. Però pot haver-hi espècies submarines bioluminiscents i fins i tot altres fonts de radiació, com el potassi 40, que és molt freqüent a tota la Terra, capaces d'enganyar els sensors. Per esquivar tot aquest soroll lumínic, els equips s'instal·len entre els 2.000 i els 3.500 metres sota la superfície del mar. Curiosament, els neutrins que es detecten són els que provenen de les antípodes. Creuen la massa d'aigua, les diferents capes de la Terra, tornen a sortir al mar, interaccionen prop del telescopi i produeixen un muó, i el centelleig farà que Txerenkov reveli la seva presència.

Davant del projecte IceCube de l'Antàrtida, Hernández Rey destaca que la iniciativa europea té diversos avantatges. “L'aigua ofereix més resolució que el gel”, indica. Però, a més, “com que és a l'hemisferi nord podem veure el centre de la nostra galàxia”, per la qual cosa la iniciativa europea “tot i que és complementària, és més competitiva”. La primera fase ha d'estar acabada a finals de l'any que ve: es desplegaran 30 línies amb 2.500 detectors dels 12.000 previstos.