Grupo de Astrofísica Robótica y de Altas Energías (ARAE)

Entre los principales fenómenos transitorios de alta energía que estudia ARAE, se encuentran los estallidos de rayos gamma (GRBs, por sus siglas en inglés), las fuentes transitorias de rayos X, y los chorros relativistas. Estos proceden de objetos compactos dentro y fuera de la galaxia, como agujeros negros, estrellas de neutrones, enanas blancas, así como sistemas binarios en los que uno (o dos) de los dos objetos sea compacto.

En este contexto, los principales objetivos científicos son:

• Observar y caracterizar los fenómenos transitorios de alta energía e identificar sus fuentes
• Determinar las propiedades de las fuentes, como la masa y el spin de los agujeros negros

representación artística de dos estrellas de neutrones diminutas pero muy densas en el momento en que se fusionan y explotan formando una kilonova. Se prevé que un fenómeno tan excepcional produzca tanto ondas gravitacionales como un breve estallido de rayos gamma. Crédito: University of Warwick/Mark Garlick

Su trabajo observacional se basa en la astronomía multimensajero y consiste en la observación e interpretación con modelos teóricos de datos multifrecuencia, mayoritariamente de rayos gamma y rayos X, así como de ondas gravitacionales y emisores de neutrinos, procedentes de fuentes astrofísicas de diversa naturaleza. Sus principales técnicas incluyen la espectroscopía, que analiza los espectros descomponiendo la luz en sus diversas longitudes de onda, la fotometría (que en un futuro cercano permitirá el conteo individual de fotones, registrándose el tiempo de llegada y posición de cada una de las partículas que forman la luz), y la polarimetría (para medir la rotación del plano de vibración de la luz hasta llegar a nosotros).

Habitualmente, utilizan los telescopios robóticos de la red global BOOTES para realizar detecciones ópticas de respuesta rápida de fenómenos transitorios. A continuación, profundizan en su estudio mediante observatorios terrestres, como el Gran Telescopio de Canarias (GTC) y los telescopios MAGIC del Observatorio del Roque de los Muchachos (Tenerife), los telescopios del Observatorio de Calar Alto (Almería), los del Observatorio de Sierra Nevada (Granada), y el interferómetro de ondas milimétricas Plateau de Bure (Alpes franceses); y también observatorios espaciales como Fermi y Swift, ambos de la NASA, y el experimento Atmosphere Space Interaction Monitor (ASIM) a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS) así como el satélite XMM de la Agencia Espacial Europea (ESA).

Además, participan en la Red Española de Ondas Gravitacionales (REDONGRA) y han liderado la contribución española de THESEUS, una propuesta de misión candidata al programa M7 de la ESA, cuyo objetivo es ampliar de forma notable la capacidad de detección y estudio de fenómenos transitorios de alta energía a lo largo de toda la historia del Universo.

De entre los cuerpos pequeños del Sistema Solar, el grupo centra su actividad en el estudio de asteroides, cometas y meteoroides. Los asteroides son cuerpos rocosos o metálicos que orbitan alrededor del Sol; los cometas están compuestos principalmente por hielo, polvo y material rocoso, y pueden desarrollar coma y cola al acercarse al Sol; y los meteoroides son pequeños fragmentos de roca o metal que se desplazan por el espacio. Cuando estos cuerpos entran en la atmósfera terrestre producen fenómenos luminosos denominados meteoros, como las perseidas visibles en verano, o bólidos si presentan un brillo excepcionalmente intenso. En algunos casos, parte del material puede sobrevivir al paso atmosférico y alcanzar la superficie terrestre en forma de meteoritos.

Los objetivos científicos en torno a estos objetos son:

• Observar el paso o la caída de cuerpos pequeños en el cielo
• Modelizar las trayectorias de asteroides, cometas y meteoroides
• Determinar las zonas de caída de meteoritos y estudiar los asteroides potencialmente peligrosos (PHA) y poder generar alertas en función de las trayectorias de los mismos
• Comprender fenómenos asociados a los cuerpos pequeños como los estallidos de cometas, en los que estos aumentan de forma repentina su brillo y actividad

Los meteoros de la lluvia de meteoros de las Perseidas surcan un cielo parcialmente nublado sobre el Bosque Nacional de Inyo, en Bishop (California), en 2024. Crédito: NASA/Preston Dyches

Para ello, combinan observaciones y modelización teórica. Principalmente, utilizan datos de los telescopios ópticos robóticos de la red global BOOTES, que cubren una gran cantidad de cielo; y de sondeos como el Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System (Pan-STARRS), que se lleva a cabo desde el Observatorio Haleakala (Hawaii). Además, destaca su colaboración en la Oficina Planetaria de la ESA y el Centro de Coordinación de Objetos Cercanos a la Tierra (NEOCC) para afinar los riesgos de colisión con nuestro planeta para asteroides potencialmente peligrosos.

La red global de telescopios ópticos BOOTES con tecnología de imagen de campo amplio de última generación, se usa principalmente para la detección de fenómenos transitorios en tiempo real y la vigilancia continua del cielo. Tras completar su instalación en los 5 continentes, actualmente el grupo se centra en los siguientes objetivos técnicos:

• Desarrollar mejoras en las cámaras asociadas de los telescopios y en su software de análisis
• Colaborar con la Comisión Europea en el seguimiento de la basura espacial procedente de satélites, empleando algunos de los telescopios de la Red

La materia oscura es una sustancia desconocida que constituye la mayor parte de la masa de las galaxias. Actúa como un halo invisible que las mantiene y afecta a su movimiento. También influye en las colisiones y fusiones entre galaxias, favoreciendo su crecimiento.

Así, el objetivo principal de esta línea es:

• Investigar la naturaleza oscura mediante estudios de evolución de galaxias

Imagen compuesta del cúmulo de galaxias CL0024+17 tomada por el telescopio espacial Hubble que muestra la creación de un efecto de lente gravitacional. Se supone que este efecto se debe, en gran parte, a la interacción gravitatoria con la materia oscura. Crédito: NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)

Para ello, el grupo lleva a cabo un trabajo observacional basado en la fotometría. Analiza el brillo y otras propiedades de imágenes ópticas ultra profundas y espacialmente resueltas de galaxias similares a la Vía Láctea y galaxias enanas en el Universo Local.  La mayoría de los datos con los que trabajan proceden del Gran Telescopio de Canarias, ubicado en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Tenerife); de astrónomos amateurs en Italia, Estados Unidos y España; de la misión espacial Euclid (ESA); y del Instrumento Espectroscópico de la Energía Oscura (DESI), un experimento internacional liderado por el Laboratorio Lawrence Berkeley (Estados Unidos).

También colabora en la preparación de la misión ARRAKIHS de la Agencia Espacial Europea (ESA), ya adoptada, y que se lanzará en 2030. Su objetivo es obtener imágenes de los halos de galaxias en nuestro universo cercano con un brillo superficial excepcionalmente bajo, proporcionando datos cruciales para responder preguntas sin resolver en cosmología y evolución de las galaxias.