Luften over hodet ditt er levende med usynlige dusjer. Kraftige partikler fra verdensrommet treffer konstant atmosfæren over deg, og genererer en subatomær kaskade som skyter nedover i nær lyshastighet. Å finne ut hvor disse regnværene har sin opprinnelse og hva de forteller oss om universet, er jobben til observatoriet High-Altitude Water Cherenkov (HAWC), et teleskop bestående av 300 kjempetanker med renset vann plassert nær toppen av vulkanen Sierra Negra i Mexico.
HAWCs mål er å finne de høyeste energifenomenene i kosmos; inkludert eksotiske stjerner, supermassive sorte hull og ødeleggende mørk materie. Fenomener som disse produserer gammastråler, fotoner med mer enn en billion ganger energien fra det optiske lyset vi ser med, og kosmiske stråler, ladede atomkjerner med energier opptil syv ganger protonene som smadret sammen på Large Hadron Collider. Opprinnelsen til begge forblir innhyllet i mange mysterier, og det er grunnen til at HAWC hele tiden overvåker en stor del av himmelen i håp om å avdekke noen få.
Når en ultra-høyenergipartikkel kommer inn i jordas atmosfære og krasjer i et luftmolekyl, produserer den resulterende reaksjon nye subatomiske partikler. Hver av disse inneholder enorm energi, og de fortsetter å smadre og reagere og produsere flere partikler i et stadig større snøskred som ender opp med å spre seg ut i en sirkel omtrent 100 meter over når den når bakken. Denne partikkeldusjen passerer gjennom teleskopets tanker som beveger seg raskere enn lysets hastighet i vann (som er omtrent tre fjerdedeler av hastigheten i vakuum), og skaper den optiske ekvivalent til en sonisk bom - et utbrudd av ultrafiolett lys kjent som Cherenkov-stråling. Ved å karakterisere nøyaktig hvordan og når partiklene møter rekke rensede vanntanker, kan forskere bestemme hvor på himmelen kilden befinner seg.
Omtrent 20 000 slike dusjer blir spilt inn hvert sekund på HAWC, men nesten alle er kosmiske, ikke gammastråler. Fordi kosmiske stråler er ladet, endres deres fluktvei gjennom universet av magnetiske felt, noe som betyr at opprinnelsespunktene ikke kan bestemmes. Gamma-stråler er mye sjeldnere - HAWC ser omtrent 1000 av disse om dagen - men de peker i en rett linje tilbake til kildene. Tidligere gammastrålteleskoper måtte vanligvis rettes mot bestemte steder på himmelen, ofte bare etter at forskere har blitt varslet om noen høyeenergifenomener som oppstår der. Fordi HAWC til enhver tid stirrer ut i universet, har det en bedre sjanse for å plukke opp disse sjeldne blinkene.
Fullført i mars 2015, ga observatoriet nylig sitt første dataår - et kart over himmelen som avslører om lag 40 superlyse kilder, mange fra Melkeveiens galakse. "Dette er ikke kjørt-stjernene, " sa fysiker Brenda Dingus fra Los Alamos National Laboratory, talsperson for HAWC.
De fleste er supernova-rester, etterspillet etter den kraftige eksplosjonen som oppsto under en gigantisk stjerners død. Når sjokkbølgene fra disse eksplosjonene utvides utover, krasjer de i omgivende gass og støv i høye hastigheter, og genererer gammastråling - en prosess som kan fortsette i tusenvis av år. HAWC-teamet håper å kunne oppdage supernova-rester i forskjellige stadier av deres evolusjon og kombinere deres data med data fra andre teleskoper som arbeider på forskjellige bølgelengder for å finne ut detaljene i denne komplekse prosessen. Fordi supernova-rester har kraftige magnetfelt, feller og akselererer de ladede partikler, og skaper kosmiske stråler. De fleste av de kosmiske strålene vi ser antas å stamme fra slike steder, men de kan også produseres av pulsarer - raskt spinnende supertette nøytronstjerner som sender ut en strålestråle - og sorte hull som kretser om hverandre. HAWC vil hjelpe forskere med å bestemme den totale effekten fra alle disse forskjellige kosmiske partikkelakseleratorene.
HAWC-dataene inneholder også flere lyse objekter som er utenfor galaksen. Fordi de er så langt borte, må disse kildene skinne som lyskastere i universet. Noen er aktive galaktiske kjerner, unge galakser som har det sentrale supermassive, svarte hullet og fest på en enorm mengde gass og støv. Når saken snurrer rundt det sorte hullet, blir det oppvarmet, og frigjør kolossale stråler. HAWC har sett disse strukturene blusse opp med jevne mellomrom, men nøyaktig hvorfor dette oppstår er fortsatt ukjent.
Observatoriet håper også å få øye på gammastråler, de mest energiske fenomenene i det kjente universet. Tenkt å oppstå når en supermassiv stjerne kollapser i et svart hull, løslater disse eksplosjonene den samme mengden energi på noen få sekunder som solen vår vil gjennom hele livet. Fordi de er så forbigående, har det vært vanskelig for forskere å studere dem, men HAWC - som observerer himmelen konstant - forventes å se minst et par per år.
Så er det de virkelig revolusjonerende tingene HAWC potensielt kan observere. "Mørk materie ville være den kuleste tingen å finne, " sa Dingus.
Mens forskere kan se dette merkelige materialets gravitasjonseffekter i universet, produserer mørk materie ingen elektromagnetisk stråling, og vises derfor ikke i vanlige teleskoper. Men noen teoretikere spekulerer i at mørkstoffpartikler kan krasje inn i hverandre og ødelegge, en prosess som bør generere gammastråler. På steder som dvergkuleformede galakser, som er laget nesten utelukkende av mørk materie, bør denne utslettelsen stadig oppstå. Så langt har ingen sett betydelig gammastråling som kommer fra disse svake, små galaksene, men nye oppdages hele tiden, noe som øker muligheten for endelig å knekke et av de største mysteriene innen astronomi.
Jo lengre HAWC stirrer ut i universet, jo dypere og mer detaljerte observasjoner blir. Det første løpet av observatoriet er for øyeblikket planlagt avsluttet i 2020. "Men hvis vi ser noe kult, vil vi kanskje løpe lenger, " sa Dingus.
