VERDADES

VERITAS ( Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System ) es un importante observatorio terrestre de rayos gamma con una matriz de cuatro reflectores ópticos de 12 metros para la astronomía de rayos gamma en el rango de energía de fotones GeV – TeV . VERITAS utiliza la técnica del Telescopio Cherenkov Atmosférico de Imágenes para observar los rayos gamma que causan cascadas de partículas en la atmósfera terrestre, conocidas como cascadas atmosféricas extensas . La matriz VERITAS está ubicada en el Observatorio Fred Lawrence Whipple , en el sur de Arizona , Estados Unidos . El diseño del reflector VERITAS es similar al del telescopio de rayos gamma Whipple de 10 metros, ubicado en el mismo sitio, pero es de mayor tamaño y tiene una distancia focal más larga para un mejor control de las aberraciones ópticas. VERITAS consta de una matriz de telescopios de imágenes desplegados para observar las cascadas Cherenkov atmosféricas desde múltiples ubicaciones para brindar la mayor sensibilidad en la banda de 100 GeV – 10 TeV (con sensibilidad desde 50 GeV hasta 50 TeV). Este observatorio de muy alta energía, finalizado en 2007, complementa eficazmente el Telescopio de Gran Área (LAT) del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi gracias a su mayor área de captación y a su cobertura en una banda de energía más alta.

VERITAS está compuesto por cuatro telescopios de imágenes Cherenkov atmosféricas de 12 m de diámetro , con una separación aproximada de 100 m (330 pies) entre cada telescopio adyacente. ^{[ 1 ]} Cada telescopio consta de un reflector óptico grande y orientable y una cámara de tubo fotomultiplicador de alta velocidad . Se necesitan varios telescopios en un conjunto para realizar observaciones estereoscópicas de la luz Cherenkov producida en cascadas atmosféricas extensas. Estas observaciones estereoscópicas permiten una reconstrucción precisa de la geometría de la cascada de partículas , lo que proporciona una resolución angular y energética mucho mejor que la de un solo telescopio. La dirección angular de la cascada incidente se determina encontrando el eje central de la dispersión de la cascada en cada telescopio y siguiendo esos ejes hasta que se crucen. La intersección de estos ejes determina la dirección de entrada de la partícula primaria (rayo cósmico o rayo gamma) que inició la cascada atmosférica en la atmósfera superior. También determina la posición del núcleo de la cascada, es decir, la posición extrapolada de la partícula primaria en el suelo si no hubiera interactuado. La energía de la partícula primaria se determina a partir de la cantidad total de luz Cherenkov medida en cada telescopio, junto con la distancia de ese telescopio al núcleo de la cascada.  

Cada uno de los telescopios individuales tiene una apertura de 12 m de diámetro y un campo de visión de 3,5 grados. Los telescopios están construidos sobre un diseño óptico Davies-Cotton, que utiliza un reflector esférico y es sencillo de construir y alinear. Este diseño provoca cierta dispersión temporal en la llegada de los fotones Cherenkov a la cámara, pero esta dispersión es pequeña (~ 4 nanosegundos). ^{[ 2 ]} El reflector consta de 350 facetas de espejo individuales, de forma hexagonal, montadas sobre una estructura de soporte óptico rígida. La cámara de cada telescopio tiene 499 píxeles individuales ( tubos fotomultiplicadores de alta velocidad de 26 mm de diámetro ). VERITAS, como otros IACT , es sensible a partículas primarias que producen suficiente luz Cherenkov atmosférica para ser detectable en tierra. Su rango completo de sensibilidad es de 50 GeV a 50 TeV (aunque la reconstrucción espectral no comienza hasta al menos 100 GeV, dependiendo de la intensidad de la fuente). La resolución energética y angular depende de la energía del rayo gamma incidente, pero a 1 TeV la resolución energética es de aproximadamente el 17%, y la resolución angular es de 0,08 grados (radio de contención del 65%). El conjunto completo tiene un área efectiva máxima de 100 000 metros cuadrados por encima de 1 TeV. VERITAS puede detectar una fuente astrofísica muy débil con un flujo de rayos gamma de tan solo el 1% de la Nebulosa del Cangrejo en menos de 25 horas de observación. Las fuentes más intensas pueden detectarse en un tiempo significativamente menor.

Para distinguir entre los eventos de fondo (es decir, cascadas hadrónicas y muones ) o el ruido (es decir, luz estelar y luz lunar) y los datos objetivo (es decir, cascadas electromagnéticas producidas por rayos gamma), VERITAS utiliza un sistema de disparo de tres niveles. El nivel uno corresponde a un cruce de nivel en cada píxel mediante discriminadores de fracción constante . El nivel dos es un disparador de selección de patrones, que selecciona cascadas similares a fotones, que tienen formas compactas, y elimina la mayoría de las cascadas de fondo, que producen formas más aleatorias en cada cámara. El nivel tres es el disparador de matriz que busca una coincidencia en el tiempo de llegada de la cascada en múltiples telescopios. ^{[ 3 ]}

La luz Cherenkov producida por los rayos gamma en la atmósfera superior es muy tenue, por lo que VERITAS observa mejor bajo cielos despejados y oscuros. No es posible realizar observaciones bajo cielos nublados o lluviosos, ni cuando la Luna está muy brillante. Sin embargo, se realizan observaciones regularmente cuando la Luna tiene un brillo tenue o moderado (normalmente menos del 60 % de iluminación). El tiempo total de observación anual suele ser de unas 1200 horas (de las cuales entre 200 y 250 horas corresponden a periodos de mayor brillo lunar, con una iluminación de entre el 20 % y el 60 %). El observatorio no suele recopilar datos en julio ni agosto debido a las condiciones del monzón local.

VERITAS fue diseñado para explorar el cielo de rayos gamma de muy alta energía (VHE) por encima de 100 GeV , dando continuidad al éxito del telescopio de rayos gamma Whipple de 10 m. El telescopio Whipple fue pionero en el uso de una cámara Cherenkov de imágenes, acoplada a un gran reflector de 10 m de diámetro, para realizar la primera detección definitiva de una fuente de rayos gamma VHE, la Nebulosa del Cangrejo en 1989. ^{[ 4 ]} Posteriormente, el telescopio HEGRA en La Palma demostró una buena sensibilidad por encima de 1 TeV utilizando una matriz de telescopios Cherenkov atmosféricos de imágenes. VERITAS combina los beneficios de las observaciones estereoscópicas en una matriz con grandes reflectores para un umbral de energía bajo. En comparación con el telescopio Whipple, VERITAS emplea reflectores más grandes de 12 m de diámetro, óptica mejorada y eficiencia de recolección de luz, y una cámara pixelada más fina. Tanto la grabación (utilizando convertidores analógico-digitales Flash personalizados de 500 MS/s) como la electrónica de disparo (utilizando un sofisticado sistema de tres niveles) se mejoraron significativamente en comparación con los instrumentos anteriores. VERITAS fue concebido en la década de 1990, junto con otros tres conjuntos de telescopios atmosféricos Cherenkov de imágenes (IACT): CANGAROO-III, HESS y MAGIC . Actualmente, VERITAS es el único conjunto IACT que opera en el hemisferio occidental.

La primera propuesta para VERITAS (llamada VHEGRA en ese momento) fue presentada por Trevor Weekes ( Observatorio Astrofísico Smithsoniano (SAO)) a la Institución Smithsoniana en 1995; esta propuesta describía un conjunto de nueve telescopios Cherenkov de 10 m de diámetro. En 1998, se celebró la primera reunión de colaboración de VERITAS en la Universidad de Chicago . En 2000, el concepto de VERITAS como un conjunto de siete telescopios fue recomendado por el Estudio Decenal de Astronomía y Astrofísica de 2000 como un proyecto de tamaño moderado. ^{[ 5 ]} Se produjeron retrasos debido a dificultades con dos sitios propuestos en Arizona (Montosa Canyon en la base del Monte Hopkins y Kitt Peak ) y debido a una reducción en la financiación disponible. La propuesta para un conjunto de cuatro telescopios (ahora con reflectores de 12 m de diámetro) fue revisada favorablemente en 2002 y la construcción de VERITAS comenzó en 2003 en el Observatorio Fred Lawrence Whipple . Un prototipo inicial de telescopio se completó como Telescopio n.° 1 y vio la primera luz en 2004. La construcción del Telescopio n.° 2 se completó en 2005 y las primeras observaciones estereoscópicas comenzaron ese año. Los Telescopios n.° 3 y n.° 4 se completaron a principios de 2007 y la celebración de la primera luz para el conjunto completo de telescopios fue el 27 y 28 de abril de 2007. ^{[ 6 ]} Las operaciones científicas regulares para VERITAS comenzaron en septiembre de 2007. La construcción de VERITAS fue financiada en gran parte en los EE. UU. por el Departamento de Energía , la Fundación Nacional de Ciencias y la Institución Smithsoniana . La financiación adicional para la construcción fue proporcionada por Enterprise Ireland (ahora Science Foundation Ireland ) y el Consejo de Investigación de Física de Partículas y Astronomía en el Reino Unido .

Desde 2007, se han realizado mejoras y actualizaciones periódicas en VERITAS. El telescopio n.° 1 se trasladó en el verano de 2009 a una nueva ubicación para optimizar la geometría del conjunto (y mejorar la sensibilidad a los rayos gamma). ^{[ 1 ]} Entre 2009 y 2011 se llevó a cabo un programa de actualización que mejoró la alineación de las facetas del espejo de VERITAS y reemplazó el sistema de disparo de nivel 2. Además, en el verano de 2012, todos los tubos fotomultiplicadores de la cámara se actualizaron a tubos de alta eficiencia cuántica, lo que aumentó nuevamente la sensibilidad, especialmente cerca del extremo inferior del rango de energía de los rayos gamma. En comparación con la sensibilidad de diseño inicial, la sensibilidad real alcanzada por VERITAS es significativamente mejor, con un tiempo necesario para detectar fuentes débiles de rayos gamma reducido en más de un factor de dos. ^{[ 6 ]}

En junio de 2017, se celebró un acto en el Observatorio Whipple para conmemorar los diez años de investigación científica de VERITAS. ^{[ 7 ]}

VERITAS cuenta con un amplio programa científico que combina aspectos clave de la astronomía, explorando el universo en la nueva banda de rayos gamma de muy alta energía, y la física, buscando nuevas partículas o fenómenos más allá del modelo estándar de la física de partículas. Las preguntas básicas que se abordan incluyen: comprender la aceleración de partículas cósmicas en nuestra Galaxia (con especial énfasis en comprender el origen de los rayos cósmicos ) y más allá de nuestra Galaxia, investigando entornos extremos cerca de objetos compactos como estrellas de neutrones y agujeros negros , la naturaleza de la materia oscura y el campo magnético intergaláctico, y si la velocidad de la luz es constante a estas energías extremas de rayos gamma. El programa de observación de VERITAS incluye fuentes galácticas como remanentes de supernovas , púlsares , nebulosas de viento de púlsares , sistemas binarios y la enigmática fuente de rayos gamma en el Centro Galáctico . Las fuentes extragalácticas incluyen núcleos galácticos activos , galaxias con brotes estelares y estallidos de rayos gamma . Un componente importante de las observaciones de VERITAS es el seguimiento multiespectral y multimensajero , que incluye ráfagas de radio rápidas (FRB), neutrinos de alta energía y eventos de ondas gravitacionales . VERITAS cuenta con un extenso programa de materia oscura, en el que se realizan búsquedas indirectas para detectar rayos gamma de muy alta energía resultantes de la aniquilación de partículas de materia oscura. La mayoría de estas búsquedas se centran en el Centro Galáctico y las galaxias enanas esferoidales . A partir de 2017, el programa científico de VERITAS se amplió para incluir observaciones en la banda óptica mediante mediciones de alta resolución temporal de ocultaciones de asteroides e interferometría de intensidad estelar.

Hasta 2020, la investigación de VERITAS había dado lugar a 58 doctorados y más de 100 publicaciones revisadas por pares. Como se muestra en la figura, VERITAS ha detectado 63 fuentes astrofísicas de rayos gamma de muy alta energía (hasta enero de 2020). El primer catálogo de fuentes de VERITAS solo contenía seis fuentes.

Algunos de los aspectos científicos más destacados de VERITAS incluyen:

• 2008: descubrimiento del primer blazar del tipo BL Lacertae (IBL) de pico de frecuencia intermedia a energías muy altas, W Comae ^{[ 8 ]} seguido de un segundo IBL 3C 66A. ^{[ 9 ]}

• 2009: descubrimiento de la primera galaxia con brote estelar que emite en energías de rayos gamma, la Galaxia del Cigarro o M 82. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Este resultado fue significativo porque representó el primer objeto extragaláctico detectado donde se cree que los rayos gamma se producen a través de procesos astrofísicos típicos que se encuentran en nuestra Galaxia, en contraposición a los procesos extremos que se encuentran en los chorros de los núcleos galácticos activos . ^{[ 12 ]}

• 2010; detección de emisión extendida de rayos gamma de la Nebulosa Medusa o IC 443, ^{[ 13 ]} seguida de estudios morfológicos detallados por VERITAS que, cuando se combinan con datos de Fermi-LAT , proporcionan una fuerte evidencia de la aceleración de rayos cósmicos por un remanente de supernova galáctica. ^{[ 14 ]}

• 2011: descubrimiento de un nuevo e inesperado componente de emisión de rayos gamma por encima de 100 GeV del Púlsar del Cangrejo , lo que supone un serio desafío para los modelos de púlsares existentes. ^{[ 15 ]}

• 2011: descubrimiento de emisión de rayos gamma de TeV del remanente de supernova de Tycho ; ^{[ 16 ]} este remanente resultó de una de las pocas supernovas históricas en nuestra Galaxia.

• 2013: localización de la emisión de rayos gamma en el chorro de un núcleo galáctico activo , mediante la combinación de observaciones de rayos gamma VHE realizadas por VERITAS y observaciones de alta resolución angular realizadas por el Very Long Baseline Array . ^{[ 17 ]}

• 2015: detección de rayos gamma de TeV del cuásar PKS 1441+25 con un valor de corrimiento al rojo de ~ 1, lo que indica la transparencia general del universo a los fotones en estas energías. ^{[ 18 ]}

• 2018: detección de rayos gamma VHE desde la dirección del objeto BL Lac TXS 0506+056 , ^{[ 19 ]} que coincide con el evento de neutrino de alta energía IC 170922A reportado por el telescopio de neutrinos IceCube .
• 2019-2020: medición directa de diámetros angulares estelares mediante un telescopio atmosférico Cherenkov de imágenes ^{[ 20 ]} y demostración de interferometría de intensidad estelar con un sistema de telescopio moderno. ^{[ 21 ]}

Los investigadores de VERITAS también han sido pioneros en el uso de un IACT para llevar a cabo ciencia ciudadana . Para mejorar la detección de eventos de muones , se creó el proyecto Muon Hunter en la plataforma Zooniverse . El proyecto mostraba imágenes tomadas con VERITAS y los voluntarios debían clasificarlas como eventos de muones o no muones. Posteriormente, los investigadores entrenaron un algoritmo de aprendizaje automático que obtuvo mejores resultados que el análisis estándar. ^{[ 22 ]} En Muon Hunter 2.0, el proyecto intentará mejorar el resultado con un enfoque de aprendizaje automático diferente. ^{[ 23 ]}

La colaboración VERITAS se formó oficialmente con la firma de un acuerdo de colaboración en el año 2000 entre nueve instituciones miembros de tres países. Las instituciones miembros fueron: la Universidad Estatal de Iowa , la Universidad de Purdue , el Observatorio Astrofísico Smithsoniano , la Universidad de California en Los Ángeles , la Universidad de Chicago , la Universidad de Utah y la Universidad de Washington en San Luis ( EE. UU.), la Universidad de Leeds (Reino Unido) y la Universidad Nacional de Irlanda en Dublín (Irlanda). En 2008, se incorporó una décima institución miembro, la Universidad McGill (Canadá), mediante un acuerdo actualizado. Representantes de las instituciones miembros conforman el Consejo Ejecutivo de VERITAS (CEV), que funge como la máxima autoridad en la toma de decisiones dentro de la colaboración. ^{[ 6 ]}

En 2008, la colaboración se amplió con la incorporación de instituciones colaboradoras que tienen representación en el Consejo Científico de VERITAS, que dirige el programa científico de VERITAS. Las instituciones colaboradoras iniciales fueron: Planetario Adler , Barnard College , Instituto Tecnológico de Cork , Universidad DePauw , Instituto Tecnológico de Galway-Mayo , Grinnell College , Universidad Nacional de Irlanda, Galway , Universidad de California, Santa Cruz , Universidad de Iowa y Universidad de Massachusetts, Amherst .

A partir de 2019, la colaboración VERITAS está compuesta por aproximadamente 80 científicos de instituciones de Canadá, Alemania, Irlanda y Estados Unidos. Las instituciones participantes son: Barnard College , Universidad de Columbia , Instituto Tecnológico de Cork , DESY , Instituto Tecnológico de Georgia , Universidad Estatal de Iowa , Universidad McGill , Universidad Nacional de Irlanda, Galway , Universidad de Purdue , Observatorio Astrofísico Smithsoniano , University College Dublin , Universidad de California, Los Ángeles , Universidad de California, Santa Cruz , Universidad de Chicago , Universidad de Delaware , Universidad de Iowa , Universidad de Minnesota , Universidad de Utah y Universidad de Washington en San Luis . También hay miembros no afiliados y asociados de otras instituciones. ^{[ 6 ]}

El presidente del Consejo Científico de VERITAS es el portavoz. Hay un portavoz adjunto que colabora en la dirección de la colaboración. En la tabla siguiente se incluye una lista cronológica de los portavoces y portavoces adjuntos de VERITAS. A partir de 2007, el portavoz y el portavoz adjunto desempeñan un mandato de dos años y pueden ser reelegidos.

A partir de 2019, las siguientes agencias proporcionan financiación operativa para VERITAS: la Fundación Nacional de Ciencias y la Institución Smithsonian en los EE. UU., el Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería en Canadá y la Asociación Helmholtz en Alemania.

• Telescopio espacial de rayos gamma Fermi
• Sistema estereoscópico de alta energía
• IACT
• Lista de observatorios astronómicos
• MAGIA (telescopio)

• Sitio web oficial de VERITAS