Científicos recrean «bolas de fuego» cósmicas para investigar el misterio de los rayos gamma ausentes
Fuente University of Oxford
Un equipo internacional de científicos, liderado por la Universidad de Oxford, ha logrado un hito mundial al crear «bolas de fuego» de plasma utilizando el acelerador Super Proton Synchrotron del CERN, en Ginebra, para estudiar la estabilidad de los chorros de plasma que emanan de los blazares. Los resultados, publicados en PNAS, podrían arrojar nueva luz sobre un antiguo misterio acerca de los campos magnéticos ocultos del Universo y la ausencia de rayos gamma.
Los son galaxias activas alimentadas por agujeros negros supermasivos que lanzan haces estrechos de partículas y radiación a velocidades cercanas a la de la luz hacia la Tierra. Estos chorros producen una intensa emisión de rayos gamma que alcanza varios teraelectronvoltios (1 TeV = 10¹² eV/1 billón), detectada por telescopios terrestres. A medida que estos rayos gamma de TeV se propagan por el espacio intergaláctico, se dispersan al interactuar con la tenue luz de fondo de las estrellas, creando cascadas de pares electrón-positrón. Estos pares deberían dispersarse al interactuar con el fondo cósmico de microondas para generar rayos gamma de menor energía (1 GeV = 10⁹ eV); sin embargo, estos no han sido detectados por telescopios espaciales de rayos gamma, como el satélite Fermi. Hasta ahora, la razón de esto ha sido un misterio.
Una explicación es que los pares se desvían por campos magnéticos intergalácticos débiles, alejando los rayos gamma de menor energía de nuestra línea de visión. Otra hipótesis, proveniente de la física del plasma, plantea que los haces de pares se vuelven inestables al atravesar la escasa materia que se encuentra entre las galaxias. En este caso, pequeñas fluctuaciones en el haz generan corrientes que producen campos magnéticos, reforzando la inestabilidad y disipando potencialmente la energía del haz.
Para poner a prueba estas teorías, el equipo de investigación —una colaboración entre la Universidad de Oxford y el Centro de Instalación Láser (CLF) del Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas (STFC)— utilizó la instalación HiRadMat (High-Radiation to Materials) del CERN para generar pares electrón-positrón con el Super Sincrotrón de Protones y enviarlos a través de un metro de plasma ambiental. Esto creó un análogo de laboratorio a escala de una cascada de pares impulsada por un blazar que se propaga a través del plasma intergaláctico. Al medir el perfil del haz y las señales del campo magnético asociadas, los investigadores examinaron directamente si las inestabilidades del haz-plasma podían perturbar el chorro.
Los resultados fueron sorprendentes. Contrariamente a lo esperado, el haz par permaneció estrecho y casi paralelo, con una mínima perturbación o campos magnéticos autogenerados. Al extrapolarlo a escalas astrofísicas, esto implica que las inestabilidades del haz-plasma son demasiado débiles para explicar la ausencia de rayos gamma de GeV, lo que respalda la hipótesis de que el medio intergaláctico contiene un campo magnético que probablemente sea un vestigio del universo primitivo.
El investigador principal, el profesor Gianluca Gregori (Departamento de Física, Universidad de Oxford), afirmó: «Nuestro estudio demuestra cómo los experimentos de laboratorio pueden ayudar a cerrar la brecha entre la teoría y la observación, mejorando nuestra comprensión de los objetos astrofísicos desde telescopios terrestres y satelitales. También destaca la importancia de la colaboración entre instalaciones experimentales de todo el mundo, especialmente para abrir nuevos caminos en el acceso a regímenes físicos cada vez más extremos».
Sin embargo, los hallazgos plantean nuevas preguntas. Se cree que el universo primitivo era extremadamente uniforme y no está claro cómo pudo haberse originado un campo magnético durante esta fase primordial. Según los investigadores, la respuesta podría implicar nueva física más allá del Modelo Estándar. Se espera que futuras instalaciones como el Observatorio Cherenkov Telescope Array (CTAO) proporcionen datos de mayor resolución para seguir explorando estas ideas.
El coinvestigador, el profesor Subir Sarkar (Departamento de Física, Universidad de Oxford), declaró: «Ha sido muy gratificante formar parte de un experimento tan innovador, que aporta una nueva dimensión a la investigación puntera que se lleva a cabo en el CERN. Esperamos que nuestro sorprendente resultado despierte el interés de la comunidad de la (astro)física del plasma por las posibilidades de abordar cuestiones cósmicas fundamentales en un laboratorio terrestre de física de altas energías».
El coinvestigador, el Dr. Pablo Bilbao (Departamento de Física, Universidad de Oxford), afirmó: «Para un teórico, es extraordinario ver cómo los experimentos confirman y amplían ideas que, hasta hace poco, solo existían en simulaciones». Estos resultados demuestran el potencial de combinar la computación a gran escala con instalaciones experimentales de vanguardia como el CERN para estudiar la física de los plasmas cósmicos.
En esta colaboración participaron investigadores de la Universidad de Oxford, el Centro de Láseres (RAL) del STFC, el CERN, el Laboratorio de Energética Láser de la Universidad de Rochester, AWE Aldermaston, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, el Instituto Max Planck de Física Nuclear, la Universidad de Islandia y el Instituto Superior Técnico de Lisboa.
El estudio «Supresión de inestabilidades de haces de pares en un análogo de laboratorio de cascadas de pares de blazares» se ha publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
