Nova solució per calibrar amb precisió els telescopis de l'Observatori Cherenkov Telescope Array

Una recerca iniciada en el marc d’un treball de final de grau (TFG) de Física de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) ha culminat en una nova descripció analítica del calibratge mitjançant muons dels telescopis Txerenkov de doble mirall. El treball resol un problema que havia quedat obert durant més de trenta anys a causa de la complexitat geomètrica d’aquests sistemes òptics: determinar amb precisió quanta llum de Txerenkov produïda per un muó arriba a la càmera tenint en compte les ombres produïdes pel mirall secundari i la mateixa càmera.

L’estudi està signat per Markus Gaug, professor del Departament de Física de la UAB i investigador del CERES-IEEC; Víctor Giráldez-Segalàs, graduat en Física per la UAB, i la investigadora predoctoral Fiona Redmen.

Els muons com a font natural de calibratge

Els telescopis Txerenkov detecten els breus flaixos de llum produïts a l’atmosfera per les cascades de partícules originades pels raigs gamma i els raigs còsmics. Entre aquestes partícules hi ha muons, que, quan es desplacen per l’atmosfera a una velocitat superior a la velocitat de la llum en l’aire, emeten radiació de Txerenkov.

Quan un muó passa a prop d’un telescopi, aquesta radiació produeix a la càmera una imatge característica en forma d’anell. Com que la quantitat de llum emesa es pot calcular amb gran precisió, aquests anells constitueixen una font natural de calibratge disponible contínuament durant les observacions.

Comparant la llum esperada amb la que realment detecta la càmera es pot determinar l’eficiència global del sistema òptic i de detecció i seguir-ne l’evolució al llarg del temps. Aquest calibratge continu és especialment important perquè els grans telescopis del CTAO no estan protegits per cúpules, com els telescopis òptics convencionals, sinó que estan exposats a la intempèrie. Un calibratge precís és, a més, essencial per reconstruir correctament l’energia dels raigs gamma i controlar les incerteses sistemàtiques.

D’un TFG a una nova solució analítica

La recerca té l’origen en el TFG desenvolupat per Víctor Giráldez-Segalàs durant el grau de Física de la UAB, sota la supervisió de Markus Gaug. L’objectiu era estendre als futurs telescopis de doble mirall del CTAO els mètodes analítics de calibratge amb muons desenvolupats per als telescopis convencionals d’un sol mirall.

En un telescopi de doble mirall, la geometria és considerablement més complexa: el mirall secundari, els seus suports i deflectors de llum, la càmera i el forat central del mirall primari poden interceptar part de la radiació de Txerenkov. Aquestes ombres depenen, a més, de la inclinació i de la trajectòria del muó i varien al llarg de l’anell observat. El fet de disposar d’una solució analítica estalviarà al CTAO la necessitat de recórrer a simulacions contínues i costoses en termes de temps de computació. 

Diferències de fins al 40 % respecte dels models simplificats

El nou formalisme permet calcular explícitament quina part de la llum de Txerenkov queda bloquejada pels diferents components del telescopi per a cada trajectòria del muó. Els efectes són especialment importants per als muons inclinats i per a configuracions amb estructures de protecció al voltant del mirall secundari.

En aquests casos, la quantitat de llum predita pot diferir fins a un 40 % respecte de la que s’obté amb aproximacions anteriors, que tractaven l’ombra del mirall secundari de manera simplificada. Aquesta diferència és molt superior als requeriments del CTAO, que exigeixen una precisió del mètode de calibratge millor que el 4 %.

L’estudi aporta també dos resultats per als telescopis convencionals d’un sol mirall: una correcció de primer ordre de l’altura màxima des de la qual la llum de Txerenkov d’un muó pot arribar al reflector, deguda a la curvatura del mirall primari, i una descripció analítica de l’efecte de l’aberració de coma sobre els anells de muons en telescopis amb reflectors parabòlics.

Aplicació al CTAO

El CTAO serà l’observatori terrestre de nova generació dedicat a l’astronomia de raigs gamma de molt alta energia. Tindrà dues ubicacions: CTAO-Nord a l’Observatori del Roque de los Muchachos de La Palma, i CTAO-Sud, al desert d’Atacama (Xile).

Més de la meitat dels telescopis previstos utilitzaran sistemes òptics de doble mirall inspirats en el disseny Schwarzschild-Couder, entre els quals hi ha els Small-Sized Telescopes (SST). Aquests dissenys proporcionen camps de visió amplis i una bona qualitat d’imatge en tot el pla focal, alhora que permeten utilitzar càmeres més compactes. El nou formalisme proporciona les eines necessàries per calibrar amb precisió aquests sistemes mitjançant els anells de muons.

Referència:

M. Gaug, V. Giráldez-Segalàs i F. Redmen, Using Muon Rings for the Calibration of the Cherenkov Telescope Array: An Analytical Solution for the Dual-mirror Telescope Using Vector Geometry, The Astrophysical Journal Supplement Series, 285, 22 (2026). DOI: 10.3847/1538-4365/ae6da5.