Nueva solución para calibrar con precisión los telescopios del Observatorio Cherenkov Telescope Array

Una investigación iniciada en el marco de un trabajo de final de grado (TFG) de Física de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) ha culminado en una nueva descripción analítica de la calibración mediante muones de los telescopios Cherenkov de doble espejo. El trabajo resuelve un problema que había quedado abierto durante más de treinta años a causa de la complejidad geométrica de estos sistemas ópticos: determinar con precisión cuánta luz de Cherenkov producida por un muon llega a la cámara teniendo en cuenta las sombras producidas por el espejo secundario y la propia cámara.

El estudio está firmado por Markus Gaug, profesor del Departamento de Física de la UAB e investigador del CERAS-IEEC; Víctor Giráldez-Segalàs, graduado en Física por la UAB, y la investigadora predoctoral Fiona Redmen.

Los muones como fuente natural de calibración

Los telescopios Cherenkov detectan los breves flashes de luz producidos en la atmósfera por las cascadas de partículas originadas por los rayos gamma y los rayos cósmicos. Entre estas partículas hay muones, que, cuando se desplazan por la atmósfera a una velocidad superior a la velocidad de la luz en el aire, emiten radiación de Cherenkov.

Cuando un muon pasa cerca de un telescopio, esta radiación produce en la cámara una imagen característica en forma de anillo. Como la cantidad de luz emitida se puede calcular con gran precisión, estos anillos constituyen una fuente natural de calibración disponible continuamente durante las observaciones.

Comparando la luz esperada con la que realmente detecta la cámara se puede determinar la eficiencia global del sistema óptico y de detección y seguir su evolución a lo largo del tiempo. Esta calibración continua es especialmente importante porque los grandes telescopios del CTAO no están protegidos por cúpulas, como los telescopios ópticos convencionales, sino que están expuestos a la intemperie. Una calibración precisa es, además, esencial para reconstruir correctamente la energía de los rayos gamma y controlar las incertidumbres sistemáticas.

De un TFG a una nueva solución analítica

La investigación tiene el origen en el TFG desarrollado por Víctor Giráldez-Segalàs durante el grado de Física de la UAB, bajo la supervisión de Markus Gaug. El objetivo era extender a los futuros telescopios de doble espejo del CTAO los métodos analíticos de calibración con muones desarrollados para los telescopios convencionales de un solo espejo.

En un telescopio de doble espejo, la geometría es considerablemente más compleja: el espejo secundario, sus apoyos y deflectores de luz, la cámara y el agujero central del espejo primario pueden interceptar parte de la radiación de Cherenkov. Estas sombras dependen, además, de la inclinación y la trayectoria del muon y varían a lo largo del anillo observado. El hecho de disponer de una solución analítica ahorrará al CTAO la necesidad de recorrer a simulaciones continuas y costosas en términos de tiempos de computación. 

Diferencias de hasta el 40 % respecto de los modelos simplificados

El nuevo formalismo permite calcular explícitamente qué parte de la luz de Cherenkov queda bloqueada por los diferentes componentes del telescopio para cada trayectoria del muon. Los efectos son especialmente importantes para los muones con trayectoria inclinada y para configuraciones con estructuras de protección alrededor del espejo secundario.

En estos casos, la cantidad de luz predicha puede diferir hasta un 40 % respecto de la que se obtiene con aproximaciones anteriores, que trataban la sombra del espejo secundario de manera simplificada. Esta diferencia es muy superior a los requerimientos del CTAO, que exigen una precisión del método de calibración mayor del 4 %.

El estudio aporta también dos resultados para los telescopios convencionales de un solo espejo: una corrección de primer orden de la altura máxima desde la cual la luz de Cherenkov de un muon puede llegar al reflector, debida a la curvatura del espejo primario, y una descripción analítica del efecto de la aberración de coma sobre los anillos de muones en telescopios con reflectores parabólicos.

Aplicación en el CTAO

El CTAO será el observatorio terrestre de nueva generación dedicado a la astronomía de rayos gamma de muy alta energía. Dispondrá de dos ubicaciones: CTAO-Norte, en el Observatorio del Roque de los Muchachos de La Palma, y CTAO-Sur, en el desierto de Atacama (Chile).

Más de la mitad de los telescopios previstos utilizarán sistemas ópticos de doble espejo inspirados en el diseño Schwarzschild-Couder, entre los cuales están los Small-Sized Telescopes (SST). Estos diseños proporcionan campos de visión amplios y una buena calidad de imagen en todo el plano focal, a la vez que permiten utilizar cámaras más compactas. El nuevo formalismo proporciona las herramientas necesarias para calibrar con precisión estos sistemas mediante los anillos de muones.

Referencia:

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.