CaLMa, el monitor de neutrones que vigila el impacto del Sol en nuestro planeta desde Guadalajara

Hace ya 15 años se puso en marcha el primer monitor de neutrones (NM) en España, capaz de detectar las partículas que llegan a la Tierra, debido a la colisión de rayos cósmicos de la galaxia con los átomos de nuestra atmósfera.

Desde Guadalajara, CaLMa observa la evolución de la actividad solar y permite evaluar el posible daño que puede producir sobre el ser humano y su tecnología. El instrumento nació como propuesta con base en tierra, para la observación de partículas energéticas solares y con la excusa de desarrollar instrumentación que pudiera ser embarcada a bordo de satélites.

Esta aproximación tiene su origen en el proyecto Solar Orbiter, la sonda que en el año 2020 inició una misión espacial para tratar de conocer mejor el Sol, liderada por la Agencia Espacial Europea (ESA). Uno de los diez instrumentos a bordo de la sonda - Energetic Particle Detector, EPD- fue diseñado por científicos de la Universidad de Alcalá (UAH).

Juan José Blanco es el responsable de CaLMa. Este profesor de Física y Matemáticas explica que, a raíz de aquel proyecto, se optó por desarrollar un instrumento en tierra. “Pensamos en un sistema, un monitor de neutrones, que nos permitiese probar desarrollos relacionados con la electrónica y utilizarlo como un detector complementario a las medidas que realiza el que está a bordo de la sonda Solar Orbiter”.

Se puso en marcha en el año 2010 gracias a la financiación de la Unión Europea, a través de sus fondos FEDER, y el apoyo de la Junta de Comunidades de Castilla-La Mancha. Está integrado en la Red Mundial de Monitores de Neutrones y permite analizar el flujo de rayos cósmicos y partículas energéticas solares y su impacto en el entorno terrestre.

Lo hace mediante la detección de las partículas de alta energía, principalmente neutrones, que bombardean de forma constante la superficie del planeta tras la colisión de los rayos cósmicos galácticos (GCR) con átomos de la atmósfera superior.

El sistema fue impulsado por el Grupo de Investigación Espacial (SRG-UAH), un colectivo interdisciplinar compuesto por científicos del departamento de Física y Matemáticas y tecnólogos del departamento de Automática. Acaba de cumplir 40 años de trayectoria.

En la actualidad, el proyecto consta de tres nodos de observación. Dos de ellos tienen localizaciones fijas, tanto en Guadalajara (CaLMa), como en la isla Livington, en la Antártida (ORCA) y el tercero es móvil y responde al nombre de miniCaLMa.

Este último es un detector compacto de neutrones, cuyo diseño lo convierte en el instrumento ideal para calibrar otros detectores y realizar observaciones durante desplazamientos. En noviembre de 2019 se embarcó en el buque Hespérides para realizar una medición de rayos cósmicos continuada durante la singladura del barco hacia la Antártida.

Un instrumento para medir el impacto solar que pesa 40 toneladas

Ignacio García Tejedor, profesor del Departamento de Automática de la universidad alcalaína, explica que estos instrumentos que miden el flujo de rayos cósmicos permiten detectar cualquier evento solar que se produce en el planeta.

“CaLMa se ha convertido ahora en un detector global, cuyo desarrollo se sigue produciendo desde Guadalajara”, apostilla Juan José Blanco, quien también comenta la utilidad de sus medidas relacionada con la meteorología espacial (Space Weather). Puede detectar la llegada de estructuras solares a la Tierra -las llamadas eyecciones de masa coronal-, causantes de las auroras boreales o de la sobrecarga en las líneas de tensión.

El objetivo es seguir aportando información. “Ahora somos la referencia en España y suministramos datos sobre la actividad solar en tiempo real a la red mundial, con una cadencia de minutos”. Los usan desde las aerolíneas o los satélites, hasta los distintos sistemas de alerta en el mundo para detectar alta actividad solar o radiación.

García Tejedor, ingeniero de Telecomunicaciones, explica que los rayos cósmicos nos llegan de forma “constante”, así que cualquier anomalía puede ser monitorizada por este instrumento compuesto de cuatro partes.

Funciona mediante un tubo con gas, con tres cubiertas que alternan polietileno y plomo. “Es capaz de rechazar los neutrones que no son muy energéticos, es decir los medioambientales, dejando pasar los que llegan del espacio, tras reducir su velocidad”. Después vendrá el análisis de estas partículas.

CaLMa tiene ahora activos 12 de sus 15 tubos y es un instrumento cuyo peso llega a las 40 toneladas.

ORCA, observatorio en la Antártida que aspira a operar en el Ártico

Junto al monitor instalado en Guadalajara, hay otro en la Antártida. El proyecto ORCA (Observatorio de Rayos Cósmicos Antártico), que coordina Juan José Blanco, ha permitido medir la radiación de los rayos cósmicos durante los 12.600 kilómetros del trayecto de la expedición hasta la Antártida, en el buque Sarmiento de Gamboa y, después en la base científica Juan Carlos I, ubicada en la Isla Livingston.

Ha sido la primera vez que se miden neutrones y muones (partículas similares a los electrones) durante un trayecto a la Antártida con el tipo de detector diseñado por la UAH, ya que, a los detectores clásicos de neutrones, como son los monitores de neutrones, se ha añadido un telescopio de muones.

Hay un cuarto detector llamado Izaña Cosmic Ray Observatory (ICaRO), en el Observatorio Atmosférico de Izaña, en Tenerife cuya misión es medir de forma directa neutrones acelerados de origen solar. Eso permitirá comprender los procesos de aceleración de partículas que tienen lugar en el Sol y que incrementan su energía.

El futuro traslado al edificio científico del nuevo campus de Guadalajara

Los investigadores trabajan en la actualidad en la puesta en marcha de un telescopio de muones en las instalaciones del Parque Científico y Tecnológico de Guadalajara. En el futuro se trasladará a la parte superior del futuro edificio científico del que será el nuevo campus en esta ciudad y que se espera que esté listo a finales de 2026.

El Sol es un astro del que todavía se sabe poco, más allá de su funcionamiento en ciclos de 11 años con máximos y mínimos de actividad. CaLMa ya ha estudiado un ciclo completo y es capaz de informar a las misiones espaciales a Marte sobre el mejor momento para el viaje, según el periodo solar.

“La capacidad de nuestros detectores de combinar datos sobre el neutrones y muones permite analizar la variación del espectro de rayos cósmicos y determinar si estamos más o menos protegidos y dónde de la actividad solar”, confirma Juan José Blanco, quien se muestra prudente: “¿Podemos predecir cómo se va a comportar el Sol? Todavía no”. Queda mucho trabajo de caracterización de datos y falta personal investigador, reconoce.