A pesar de que sólo hace unas décadas de su nacimiento, el campo de la astronomía de rayos gamma desde tierra ha experimentado un gran avance. A lo largo de estos años se ha desarrollado con exito una técnica,  hoy en día muy madura, que permite el estudio del universo dominado por procesos no-térmicos. Para que se creen rayos gamma de alta energía es necesario que se aceleren partículas a velocidades muy altas. Hoy sabemos que los rayos cósmicos son acelerados hasta energías de hasta 1020 eV, de ahí la estrecha relación entre rayos gamma y la física de rayos cósmicos. Los rayos cósmicos pueden ser acelerados en su lugar de origen, por ejemplo la superficie de un púlsar rotante, o ser acelerados en el tiempo según van atravesando distintas regiones del universo, interaccionando con campos magnéticos o con ondas de choque provenientes de supernovas, etc .... El hecho de que se haga astronomía con rayos gamma y no con rayos cósmicos se debe precisamente a que la interacción de los rayos cósmicos con los campos magnéticos intergalácticos hace que la dirección aparente sea distinta de la fuente de la que realmente provienen.

La llegada a la atmósfera terrestre de partículas de alta energía produce lo que se denomina Cascadas Atmosféricas. Estas cascadas pueden tener dos orígenes, hadrónico o leptónico, según el tipo de partícula que la da orígen.

Las primeras son las inducidas por la llegada de un rayo cósmico a la  atmósfera terrestre. Los rayos cósmicos están formados principalmente por nucleos de elementos cargados y por protones (98%). Son por tanto partículas muy energéticas que interaccionan con la atmósfera produciendo iones y partículas elementales como π0, π + , π − , µ, k …. Estas partículas secundarias dan lugar a su vez a otros subproductos, produciéndose de manera multiplicativa una cascada de particulas que se propaga hasta la superficie terrestre.

Las cascadas de origen leptonico son producidas por la llegada de rayos gamma a la atmósfera. La causa por tanto es un fotón, generalmente con energía por encima de unos pocos GeV y eléctricamente neutro, que produce un par electrón-positrón en presencia  de una molécula de aire. Los rayos gamma menos energéticos no producen sucesos relevantes ya que son absorbidos, siendo por ello su deteccion realizada a bordo de satélites por encima de la atmósfera. Cada electrón (o positrón, el proceso es simétrico) produce radiación gamma secundaria debido a la radiación de Bremsstrahlung, que a su vez produce mas pares electrón-positrón, repitiéndose el proceso hasta que los fotones emitidos por Bremsstrahlung son poco energéticos y son absorbidos por la atmósfera. El umbral teórico mínimo es de algo más de 1 MeV para la producción de pares (suma de las masas del electrón y el positrón), aunque se necesita una energía inicial de unos 100 GeV para que la lluvia de partículas sea detectable en tierra.

Las partículas secundarias formadas en la cascada, al viajar más rápido que la luz en el medio, dan lugar a un destello de luz Cherenkov que dura del orden de nanosegundos. La radiación Cherenkov en las cascadas atmosfericas se produce como respuesta del medio al paso de particulas cargadas moviendose en el medio a una velocidad superior a la de la luz. A su paso por la atmosfera las particulas cargadas polarizan el medio que las rodea. Éstas partículas polarizadas vuelven a su estado original emitiendo pulsos electromagnéticos, pero como el electrón viaja a una velocidad mayor que c/n, el medio “no tiene tiempo” para relajarse, y se induce por tanto una polarización neta. Nosotros vemos los paquetes de pulsos que se emiten de forma coherente.

La técnica desarrollada para el estudio de fuentes de radiación gamma, emplea telescopios Cherenkov. La función de dichos telescopios es detectar la radiación Cherenkov secundaria producida en las cascadas atmosféricas. El  experimento pionero en el campo es el telescopio de 10 metros Whipple. Dicho telescopio fue el primero en detectar emision gamma de alta energia proveniente de la Nebulosa del Cangrejo.

Izquierda: Telescopio Whipple. Derecha: Imagen Optica de la Nebulosa del Cangrejo

Hoy en dia, la generación actual de telescopios Cherenkov (principalmente H.E.S.S., MAGIC, VERITAS) permite la detección y el estudio de fuentes de rayos gamma en el rango de energías que va de alrededor de unos pocos GeV a unos 50 TeV.

VERITAS Array de Telescopios Cherenkov (Arizona)



HESS Array de Telescopios Cherenkov (Namibia)



MAGIC Array de Telescopios Cherenkov (La Palma)

En los últimos años, la astronomía de rayos gamma desde tierra se ha desarrollado enormemente gracias a los resultados obtenidos principalmente con la generación actual de telescopios. Con las alrededor de cien fuentes (TeVCat) detectadas a estas energías, estos experimentos estan arrojando luz sobre los procesos de aceleración de los rayos cósmicos tanto en fuentes de nuestra galaxia, como remanentes de supernova, pulsares y sistemas binarios, como en fuentes extragalácticas, como son las galaxias de nucleo activo.