Los astrónomos se acercan a la fuente de las partículas de mayor energía

Fuente Starts With A Bang and Big Think (Traduccion libre)

En la Tierra, nuestros aceleradores de partículas pueden alcanzar energías de teraelectronvoltios (TeV). Las partículas del espacio tienen miles de veces más energía.

Aquí en la Tierra, si se desea observar partículas a las energías más altas posibles, se pueden elegir dos enfoques. Se pueden aislar partículas cargadas en un laboratorio y acelerarlas mediante una combinación de campos eléctricos y magnéticos, ya sea linealmente o en una trayectoria circular, hasta alcanzar energías cada vez más altas antes de liberarlas en una dirección determinada o colisionarlas con otras partículas. Estos experimentos de física de partículas han creado enormes cantidades de partículas de alta energía y nos han proporcionado enormes cantidades de datos útiles para el estudio de la naturaleza, permitiéndonos comprender los componentes básicos de la realidad a un nivel fundamental. Hemos acelerado partículas hasta energías de GeV e incluso TeV en el laboratorio: hasta miles de millones (109) o incluso billones (1012) de electrón-voltios.

Pero la naturaleza, incluso en las profundidades del espacio, tiene maneras de superar con creces cualquier logro humano en la Tierra. Los aceleradores de partículas naturales —en forma de regiones de formación estelar, agujeros negros, supernovas e incluso estrellas de neutrones pulsantes— con frecuencia alcanzan energías mucho mayores que las del Gran Colisionador de Hadrones. Mientras que el LHC alcanza un límite de energía de alrededor de 7 TeV (teraelectronvoltios) por partícula, los rayos cósmicos suelen encontrarse en escalas de PeV (petaelectronvoltios, o 10⁻¹⁶ electronvoltios), o incluso superiores. Durante mucho tiempo, solo pudimos especular sobre el origen de estas partículas. Pero ahora, los astrónomos están acercándose al origen de estas partículas cósmicas de altísima energía, y nuestra propia galaxia parece ser la culpable.

Los rayos cósmicos son algo que observamos mucho antes de comprender teóricamente qué debe haber en el Universo para crearlos. Los primeros experimentos de física de partículas realizados con globos aerostáticos, seguidos de experimentos terrestres con cámaras de nubes, revelaron una gran cantidad de partículas con propiedades muy diversas. Al aplicar un campo magnético, las partículas de rayos cósmicos se curvaban de forma diferente. En conjunto, los datos revelaron:

• partículas de diferentes energías,
• partículas con distintas cargas eléctricas y relaciones carga-masa,
• y partículas de diferentes orígenes: del Sol, de la galaxia y aleatoriamente en el cielo.

Con el tiempo, los astrónomos y físicos que estudiaban estos rayos cósmicos comenzaron a medirlos con mayor precisión. Obtuvimos mediciones directas de rayos cósmicos enviando detectores al espacio. Detectamos lluvias de rayos cósmicos observando las partículas que se producen cuando un rayo cósmico incide en la atmósfera superior de la Tierra. Hemos detectado neutrinos cósmicos directamente con aparatos como IceCube. Y detectamos luz Cherenkov —o luz de partículas rápidas que entran en la atmósfera y superan la velocidad de la luz en ese medio—, lo que nos permite reconstruir tanto la energía como, en ocasiones, la dirección de origen de las partículas que generaron estos fenómenos observados.

Uno de los resultados más interesantes de los estudios sobre rayos cósmicos es un diagrama con una forma específica que describe la abundancia, o flujo, de rayos cósmicos en función de su energía. Conocido como el espectro de energía de los rayos cósmicos, este espectro sigue una curva simple y directa, como cabría esperar:

• con mayor número de partículas cósmicas a energías más bajas,
• y luego con menor número a medida que se escala a energías más altas,
• todo ello siguiendo una relación simple que forma una línea recta al trazarla en una escala logarítmica.

Pero por encima de cierto umbral de energía —aproximadamente unos pocos PeV de energía—, lo que hasta entonces había sido una relación lineal entre la cantidad de partículas en cada rango de energía específico cambia repentinamente: un fenómeno que los astrónomos denominan «codo» (o, a veces, «primer codo») en el espectro de energía de los rayos cósmicos. Debido a varios efectos que se sabe que experimentan la materia y la radiación cuando viajan a través del espacio intergaláctico a energías muy altas, durante mucho tiempo se ha pensado que estos rayos cósmicos de mayor energía, de energías PeV y superiores, deben haberse originado en algún lugar dentro de nuestra propia galaxia, en lugar de alguna fuente extragaláctica.

Esta imagen recibió un gran impulso hace unos años gracias a lo que, a primera vista, podría parecer una fuente de información no relacionada: el detector de neutrinos IceCube. IceCube es un detector de neutrinos bajo el hielo de la Antártida, con más de mil millones de toneladas (una gigatonelada) de hielo (más de un kilómetro de lado en tres dimensiones), que sirve como volumen para la interacción de los neutrinos. Al hacerlo, producen otras partículas que se propagan a través del hielo, en particular partículas que se mueven a una velocidad superior a la de la luz en dicho medio. Cuando estas partículas se mueven a una velocidad superior a la de la luz en este medio, emiten un cono de luz azul: radiación Cherenkov, mientras viajan a través de este medio a velocidades superlumínicas.

Dentro del hielo, IceCube ha instalado una red de más de 5000 módulos ópticos digitales, o «cuerdas», que detectan la presencia de esa luz Cherenkov generada por la partícula que viaja a través del hielo. Los datos recopilados por estos módulos ópticos permiten a los científicos reconstruir la trayectoria, el momento, la energía y otras propiedades de las partículas cargadas generadas por la interacción de neutrinos. Sorprendentemente, IceCube determinó recientemente que existía una probabilidad muy alta (4,5 sigma, o solo un 0,00034 % de probabilidad de un accidente) de que neutrinos de alta energía, de energías de TeV o superiores, llegaran hasta nosotros tras originarse en el plano galáctico de la Vía Láctea.

De forma independiente, en abril de 2019, el Gran Observatorio de Lluvias de Aire a Gran Altitud (LHAASO), ubicado en China, inició sus operaciones científicas. A gran altitud, tres enormes depósitos de agua, que en conjunto albergan una docena de telescopios, están diseñados para capturar los mismos fotones Cherenkov de alta energía emitidos por los rayos cósmicos de rápida trayectoria que inciden en ellos. Al iniciar sus operaciones científicas, el LHAASO comenzó a observar partículas cósmicas de energía extremadamente alta, incluso superiores a 1 PeV, en una abundancia significativa. Gracias a su diseño y capacidades, el LHAASO es capaz de determinar la dirección de origen de los rayos cósmicos de mayor energía, lo que incluso ha permitido la identificación de nuevas estructuras dentro de nuestra galaxia.

El primer catálogo del LHAASO se publicó en 2024, e incluía la impresionante cifra de 43 fuentes de rayos cósmicos de ultraalta energía. Los tipos de rayos cósmicos a los que LHAASO es sensible se centran principalmente en lo que inicialmente eran fotones de rayos gamma, que surgen cuando partículas más comunes (protones, iones, electrones, etc.) se aceleran por campos eléctricos y magnéticos intensos en sus entornos astrofísicos iniciales y chocan con otras partículas presentes allí, creando fotones de rayos gamma de energía ultraalta en el rango de energía de PeV. Estos fotones viajan entonces en línea recta y, al impactar la atmósfera terrestre, producen las señales detectadas por LHAASO.

La gran pregunta sobre estos rayos cósmicos de energías superiores a PeV solía ser: «¿Existen PeVatrones, que serían los motores astrofísicos que producen estos rayos cósmicos de ultraalta energía, dentro de nuestra galaxia?». Ahora podemos determinar la respuesta a algunas preguntas importantes.

• ¿Provienen los neutrinos detectables, incluidos los de alta energía, de algún lugar específico en el cielo?
• Cuando observamos lluvias de rayos cósmicos originadas por rayos gamma que inciden en la atmósfera, ¿indican un objeto de interés existente dentro de nuestra galaxia y una posible fuente de dichos rayos gamma?
• Y cuando combinamos las señales que vemos y las que no, ¿apoyan la hipótesis de que se produjeron tanto electrones como hadrones (es decir, partículas compuestas de quarks), o de que solo se produjeron electrones?

La capacidad de responder a preguntas como estas nos permite dar un salto notable: de preguntarnos si existen PeVatrones en nuestra galaxia a plantearnos la pregunta mucho más directa: «¿Qué son los PeVatrones y dónde están?». Resulta que existen diferentes candidatos para los tipos de entornos astrofísicos que pueden crear estas partículas de energía PeV.

Si ves neutrinos, eso te indica que los hadrones formaron parte de la historia. Los neutrinos solo se producen a partir de procesos que implican desintegraciones de estados hadrónicos, lo que significa que se requiere un entorno capaz de acelerar protones y otros núcleos atómicos más pesados. Esto implica que se necesitan las condiciones extremas que solo se encuentran en unos pocos entornos cósmicos:

• en nuevas regiones de formación estelar,
• en supernovas recientes y nuevos remanentes de supernova,
• y alrededor de agujeros negros activos que se alimentan.

En estos entornos cálidos, los átomos se ionizan y las partículas cargadas se aceleran debido a los intensos campos electromagnéticos presentes en su interior. Alcanzan energías tan altas que, al impactar contra el material circundante, producen todo tipo de partículas secundarias, incluyendo neutrinos y fotones de rayos gamma, que se dispersan en todas direcciones.

Pero también es posible un entorno que no acelere eficazmente partículas pesadas como protones o iones, sino que solo sea eficaz para acelerar las partículas cargadas más ligeras: partículas con las mayores relaciones carga-masa. Estas partículas se conocen como electrones (y su contraparte de antimateria, los positrones), y existe un lugar que las acelera, y solo a ellas: las nebulosas de viento de púlsar.

La Nebulosa del Cangrejo, arriba, se muestra en una vista bastante inusual: en luz infrarroja, como la observa el JWST. Aunque muchas de las características podrían resultar familiares, hay algo nuevo que aparece ante los ojos del JWST: las tenues hebras de humo que llenan su interior. Se trata de electrones acelerados, acelerados por los campos electromagnéticos generados por la intensa rotación de la estrella de neutrones central. Claro, esos electrones pueden impactar contra su entorno y producir fotones de alta energía (rayos gamma) que luego pueden viajar en línea recta como cualquier otro rayo gamma: hasta el momento en que llegan a la Tierra y forman lluvias de partículas de rayos cósmicos que nuestros instrumentos pueden detectar.

Este es un aspecto clave que hay que entender: cuando los electrones solo son generados por una fuente astronómica, como una nebulosa de viento de púlsar, no se obtienen neutrinos ni ninguna otra señal hadrónica. Aunque existen varios entornos astrofísicos posibles que podrían servir como PeVatrones, el único candidato que acelera únicamente electrones, y no protones ni iones, es una nebulosa de viento de púlsar.

Por eso fue tan emocionante, hace apenas unos meses, que un evento de rayos cósmicos inducido por rayos gamma, 1LHAASO J0343+5254u, se rastreara con éxito hasta un lugar en el cielo, dentro del plano galáctico, que casualmente albergaba un lugar candidato para su surgimiento: una nebulosa de viento de púlsar.

La clave fue realizar observaciones de seguimiento con un telescopio de rayos X: en este caso, el XMM-Newton. Al observar rayos cósmicos con energías de alrededor de ~100 TeV o superiores, esto indica que el evento original que los generó fue probablemente al menos 10 veces más energético, lo que lo convierte en un evento PeVatron. Este evento en particular tuvo energías que alcanzaron los 200 TeV y apareció como una fuente extendida en el cielo, abarcando casi un tercio de grado. No se observó una contraparte de baja energía, lo que desfavorece la mayoría de las opciones hadrónicas para el origen del rayo cósmico, pero el descubrimiento de una nebulosa de viento de púlsar como probable contraparte en rayos X es trascendental.

Por un lado, establece que este evento en particular de energía PeV es una fuente de rayos cósmicos impulsada por el viento de púlsar: una fuente puramente leptónica sin contraparte hadrónica. Por otro lado, nos lleva a la era en la que realmente podemos rastrear la llegada de estos rayos cósmicos de ultraalta energía hasta una fuente dentro de nuestra propia Vía Láctea, y en al menos un caso, se ha descubierto la naturaleza de dicha fuente. Cabe destacar que se han realizado otras identificaciones: se han detectado nubes moleculares en la región del espacio asociada con el evento PeVatron LHAASO J0341+5258, un probable evento hadrónico. Y con observaciones posteriores de Swift, se descubrió que el evento PeVatron 1LHAASO J1928+1813u tiene una contraparte de baja energía, lo que constituye una prueba más de una opción hadrónica.

Es curioso que cuando la mayoría de nosotros escuchamos el término «astronomía multimensajera», todavía pensamos en la fusión de estrellas de neutrones que descubrimos en 2017, donde detectamos:

• ondas gravitacionales de la espiral y la fusión,
• rayos gamma emitidos tan solo 1,7 segundos después de finalizar la fusión,
• y posteriormente un resplandor residual a lo largo del espectro electromagnético.

Ese fue, sin duda, un ejemplo de astronomía multimensajero, pero cualquier combinación de al menos dos: luz, partículas u ondas gravitacionales también lo es. Si se pueden sintetizar las observaciones de la luz Cherenkov proveniente de rayos cósmicos (partículas) y neutrinos (observados por IceCube), y luego añadir datos directos de observatorios de rayos X y rayos gamma, se tendrá la oportunidad de descubrir la fuente de donde se originaron estas señales.

Algunas serán regiones de formación estelar. Otras serán cataclismos estelares. Algunas serán supernovas; otras serán agujeros negros. Algunas —las que no tienen neutrinos— incluso tendrán nebulosas de viento de púlsar como fuente de su origen. Como lo expresó el profesor Shou Zhang, cuyo grupo en la Universidad Estatal de Michigan lidera estos esfuerzos de identificación y asociación: «Mediante la identificación y clasificación de las fuentes de rayos cósmicos, esperamos proporcionar un catálogo completo de fuentes de rayos cósmicos con clasificación. Esto podría servir como legado para futuros observatorios de neutrinos y telescopios tradicionales, que permitirán un estudio más profundo de los mecanismos de aceleración de partículas». La ciencia es una actividad verdaderamente global, y cuando compartimos nuestros datos y resultados abiertamente, podemos unir las piezas para resolver problemas cuyas soluciones habrían sido difíciles de encontrar si no hubiéramos combinado la evidencia de todos los observatorios disponibles.

Referencia

• Articulo original: Astronomers close in on the source of the highest energy particles. by Ethan Siegel, Ph.D. https://bigthink.com/starts-with-a-bang/astronomers-highest-energy-particles/