Udara di atas kepala Anda hidup dengan hujan yang tak terlihat. Partikel-partikel kuat dari luar angkasa terus-menerus menghantam atmosfer di atas Anda, menghasilkan kaskade subatomik yang meluncur ke bawah dengan kecepatan mendekati cahaya. Mencari tahu di mana hujan deras ini berasal dan apa yang mereka ceritakan tentang alam semesta adalah tugas dari pengamatan tinggi-ketinggian Water Cherenkov (HAWC), sebuah teleskop yang terdiri dari 300 tangki raksasa air murni yang ditempatkan di dekat puncak gunung berapi Sierra Negra di Meksiko.
Tujuan HAWC adalah untuk menemukan fenomena energi tertinggi di kosmos; termasuk bintang-bintang eksotis, lubang hitam supermasif, dan memusnahkan materi gelap. Fenomena seperti ini menghasilkan sinar gamma, foton dengan lebih dari satu triliun kali energi cahaya optik yang kita lihat, dan sinar kosmik, mengisi inti atom dengan energi hingga tujuh kali lipat dari proton yang dihancurkan bersama di Large Hadron Collider. Asal-usul keduanya tetap diselimuti banyak misteri, itulah sebabnya HAWC terus memantau sebagian besar langit dengan harapan mengungkap beberapa.
Ketika partikel berenergi sangat tinggi memasuki atmosfer Bumi dan menabrak molekul udara, reaksi yang dihasilkan menghasilkan partikel subatomik baru. Masing-masing mengandung energi yang luar biasa sehingga mereka terus menghancurkan dan bereaksi dan menghasilkan lebih banyak partikel dalam longsoran salju yang terus melebar yang akhirnya menyebar dalam lingkaran sekitar 100 meter ketika mencapai tanah. Pancuran partikel ini melewati tangki teleskop yang bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya di air (yaitu sekitar tiga perempat kecepatannya dalam ruang hampa udara), menciptakan padanan optik dari ledakan sonik — semburan sinar ultraviolet yang dikenal sebagai radiasi Cherenkov. Dengan mengkarakterisasi dengan tepat bagaimana dan kapan partikel-partikel tersebut bertemu dengan susunan tangki air yang dimurnikan, para peneliti dapat menentukan di mana di langit sumbernya berada.
Sekitar 20.000 hujan seperti itu direkam setiap detik di HAWC tetapi hampir semua adalah sinar kosmik, bukan gamma. Karena sinar kosmik dibebankan, jalur terbangnya melalui alam semesta diubah oleh medan magnet, yang berarti titik asal mereka tidak dapat ditentukan. Sinar gamma jauh lebih jarang — HAWC melihat sekitar 1.000 di antaranya sehari — tetapi mereka menunjuk pada garis lurus kembali ke sumbernya. Teleskop sinar gamma sebelumnya biasanya perlu ditujukan pada titik-titik tertentu di langit, sering kali hanya setelah para peneliti telah diberitahu tentang beberapa fenomena energi tinggi yang terjadi di sana. Karena HAWC menatap ke alam semesta setiap saat, ia memiliki peluang yang lebih baik untuk mengambil kilasan langka ini.
Selesai pada bulan Maret 2015, observatorium baru-baru ini merilis data tahun pertamanya — sebuah peta langit yang mengungkapkan sekitar 40 sumber super-terang, banyak dari dalam galaksi Bima Sakti kita. "Ini bukan bintang run-of-the-mill, " kata fisikawan Brenda Dingus dari Los Alamos National Laboratory, juru bicara HAWC.
Sebagian besar adalah sisa-sisa supernova, setelah ledakan kuat yang terjadi selama kematian bintang raksasa. Ketika gelombang kejut dari ledakan ini meluas ke luar, mereka menabrak gas dan debu di sekitarnya dengan kecepatan tinggi, menghasilkan radiasi gamma — proses yang dapat berlanjut selama ribuan tahun. Tim HAWC berharap untuk menemukan sisa-sisa supernova pada berbagai tahap evolusi mereka dan menggabungkan data mereka dengan data dari teleskop lain yang bekerja pada panjang gelombang yang berbeda untuk mengetahui detail dari proses yang kompleks ini. Karena sisa-sisa supernova memiliki medan magnet yang kuat, mereka menjebak dan mempercepat partikel bermuatan, menciptakan sinar kosmik. Sebagian besar sinar kosmik yang kita lihat diperkirakan berasal dari tempat-tempat seperti itu, tetapi mereka juga dapat dihasilkan oleh pulsar — bintang neutron super padat yang memancarkan sinar radiasi — dan lubang hitam yang mengorbit satu sama lain. HAWC akan membantu para peneliti menentukan total daya yang dihasilkan dari semua akselerator partikel kosmik yang berbeda ini.
Data HAWC juga berisi beberapa objek terang yang berada di luar galaksi. Karena mereka sangat jauh, sumber-sumber ini harus bersinar seperti lampu sorot di alam semesta. Beberapa di antaranya adalah nukleus galaksi aktif, galaksi-galaksi muda yang lubang hitam supermasifnya berpesta di atas limpahan besar gas dan debu. Saat materi berputar di sekitar lubang hitam, ia memanas, melepaskan pancaran radiasi kolosal. HAWC telah melihat struktur ini menyala secara berkala, tetapi mengapa hal ini terjadi masih belum diketahui.
Observatorium ini juga berharap untuk melihat semburan sinar gamma, fenomena paling energik di alam semesta yang diketahui. Diperkirakan terjadi ketika sebuah bintang supermasif runtuh ke dalam lubang hitam, ledakan-ledakan ini melepaskan jumlah energi yang sama dalam beberapa detik seperti matahari kita sepanjang hidupnya. Karena mereka sangat sementara, sulit bagi para ilmuwan untuk mempelajarinya tetapi HAWC — yang mengamati langit secara terus-menerus — diperkirakan akan melihat setidaknya beberapa pasangan per tahun.
Lalu ada hal-hal revolusioner yang benar-benar dapat diamati oleh HAWC. "Dark matter akan menjadi hal paling keren untuk ditemukan, " kata Dingus.
Sementara para ilmuwan dapat melihat efek gravitasi bahan aneh ini di alam semesta, materi gelap tidak menghasilkan radiasi elektromagnetik sehingga tidak muncul di teleskop biasa. Tetapi beberapa ahli teori berspekulasi bahwa partikel materi gelap dapat saling menabrak dan memusnahkan, suatu proses yang seharusnya menghasilkan sinar gamma. Di tempat-tempat seperti galaksi spheroidal kerdil, yang hampir seluruhnya terbuat dari materi gelap, penghancuran ini harus terus-menerus terjadi. Sejauh ini, belum ada yang melihat radiasi gamma yang signifikan datang dari galaksi kecil yang samar-samar ini, tetapi galaksi baru sedang ditemukan sepanjang waktu, meningkatkan kemungkinan akhirnya membuka salah satu misteri terbesar dalam astronomi.
Semakin lama HAWC menatap keluar ke alam semesta, pengamatannya akan lebih dalam dan lebih terperinci. Jalankan awal observatorium saat ini dijadwalkan berakhir pada 2020. "Tapi jika kita melihat sesuatu yang keren, mungkin kita akan berjalan lebih lama, " kata Dingus.
