Arboles antiguos: Un nuevo telescopio Cherenkov

• Título: A rapid cosmic-ray increase in BC 3372-3371 from ancient buried tree rings in China
• Autores: F. Y. Wang, H. Yu, Y. C. Zou, Z. G. Dai, & K. S. Cheng
• Institución del primer autor: School of Astronomy and Space Science, Nanjing University, Nanjing, China
• Estado: Publicado en Nature Communications [acesso abierto]
• Astrobite original: Ancient Trees: A New Kind of Cherenkov Telescope por Thankful Cromartie

Por supuesto, los astrónomos pasamos mucho tiempo mirando hacía arriba a la inmensidad del cosmos. ¿Qué pasaría si también pudiéramos hacer investigaciones mirando hacía abajo?  El astrobito de hoy demuestra que algo tan común y genial como los árboles nos pueden ayudar entender el Universo.

Bombardeo desde arriba

Los rayos cósmicos — las partículas subatómicas energéticas que chocan con la atmósfera superior — son producidos por distintas fuentes.  Algunos rayos cósmicos surgen desde muy lejos de nuestro Sistema Solar, acelerados por supernovas, brotes de rayos gamma, núcleos galácticos activos, y otros fenómenos astronómicos de alta energía.  Otra fuente de rayos cósmicos de energía relativamente baja son las partículas energéticas solares, y son de origen más cercano.

Instrumentos como los telescopios Cherenkov (incluyendo MAGIC y VERITAS) dan pruebas a la Física de rayos cósmicos al detectar fotones emitidos cuando una partícula viaja a través de la atmósfera más rápido que la velocidad de luz en este medio.  Caídas secundarias de partículas más livianas (ver Figura 1) se disparan cuando los rayos cósmicos chocan con las moléculas atmosféricas.

Figura 1: La caída de partículas que resulta de la colisión cuando un rayo cósmico pasa por la atmósfera de la Tierra.  Los productos incluyen neutrones, positrones, muones, y piones.  (Imagen bajo la licencia creative commons de Wikipedia)

Mientras que los humanos estamos protegidos por la atmósfera contra estas partículas energéticas, los rayos cósmicos todavía impactan la composición de la atmósfera misma.  La publicación de hoy describe cómo los científicos en China explotaron este proceso para descubrir un evento cósmico misterioso que ocurrió hace más de 5,000 años.

¿Astronomía arbórea?

Los rayos cósmicos producen isótopos inestables cuando ionizan las moléculas atmosféricas.  Por ejemplo, el carbono-14 (famoso por datación por radiocarbono) se produce cuando los rayos cósmicos generan neutrones que están capturados por el núcleo de nitrógeno (a través de la reacción n + ¹⁴N –> p + ¹⁴C). El carbono-14 finalmente es fotosintetizado por los árboles en la forma de ¹⁴CO₂, que luego aparece en los anillos de crecimiento anual.

La investigación de Wang et al. no es la primera en descubrir un aumento importante en la actividad de rayos cósmicos con datación por radiocarbono.  En todo caso, la investigación informa el evento más antiguo conocido, que ocurrió durante los años BCE 3372-3371.  La prueba es del árbol chino Wingnut (Figura 2).  Para aquellos que saben algo de la ciencia arbórea, a lo mejor se dieron cuenta de que el evento en la investigación de hoy ocurrió antes de la fecha de nacimiento del árbol más antiguo conocido (BCE 3050).  De hecho, la muestra vino de un árbol que fue enterrado bajo tierra y carbonizado — no de un árbol vivo.

Figura 2: (Izquierda) un árbol Chinese Wingnut (foto por Wim Brinkerink), (Derecha, a-c) la muestra del árbol Chinese Wingnut utilizado en este estudio. Figura suplementaria 1 de la publicación.

Ocupando técnicas estándares para modelar el ciclo de carbono de la Tierra (haciendo un mapa del movimiento del carbono entre la atmósfera, el agua, y la biosfera), los científicos encontraron un exceso de la producción de ¹⁴C igual a 7.2 x 10⁷ átomos por cm cuadrado.  Esta cantidad significa un aumento de 9.4% en la abundancia de ¹⁴C entre los años BCE 3372 y 3371.  Un evento importante de rayos cósmicos es la única explicación para esta tasa de producción.  Pero ¿de qué se trata éste evento?

Identificando la causa

Los brotes de rayos gamma (GRB), que fueron discutidos en un astrobite anterior, son los eventos astronómicos más brillantes del universo.  La energía producida por un GRB corto a una distancia de unos kiloparsec sería suficiente para explicar el aumento del ¹⁴C entre los años BCE 3372 y 3371.  Sin embargo, solo se espera 1 GRB corto cada 100,000 que apunta hacía la Tierra.  Los autores concluyen que es poco probable que el último evento ocurriera  hace solo 5,000 años, y que lograran observarlo en esta muestra.

Una segunda hipótesis es que el aumento resultó por un evento supernova.  La energía requerida para explicar el evento observado sugiere que la supernova ocurrió a una distancia de menos de 400 parsec de la Tierra.  El Chandra Catalog of Galactic Supernova Remnants (que se traduce como “Catálogo de Chandra de Remanentes de Supernovas Galácticas) tiene 5 entradas a esta distancia, y un evento (Vela Jr.) que ocurrió hace unos 2000 a 13000 años atrás.  Para que la explicación se mantenga bien, un 1% de la energía debería emitirse como rayos gamma; sin embargo, la tasa es mucho más baja.  Los autores descartan esta explicación.

Al final, Wang et al. proponen un evento de protones solares.  Estos fenómenos están correlacionados con actividad solar, como  fulguraciones solares y eyecciones de masa coronal. Un ejemplo notable de un evento de protones solares es el evento de Carrington del 1859, cuando una eyección chocó con la magnetosfera de la Tierra.  La colisión causó fulguraciones de luz y se cortó el sistema de telégrafos, y algunos operadores se sintieron una descarga eléctrica.  Un evento parecido en el día de hoy sería devastador, con un costo estimado en los Estados Uunidos de unos trillones de dólares.

El evento de Carrington tuvo una energía de un 70% de la energía del evento del BCE 3372.  Sin embargo, ningún aumento en ¹⁴C fue detectado en el año 1859.  Los científicos proponen que un espectro energético diferente puede explicar la falta de aumento.  Ellos concluyen que la tasa de eventos de protones solares está de acuerdo con la tasa de super-fulguraciones solares (una cada 1350 años).  Eventos de rayos cósmicos más recientes han sido identificados en muestras de madera en otras partes del mundo.  Sin embargo, los autores no lograron conseguir más muestras tan antiguas.

Haciendo investigaciones astronómicas con análisis de anillos de crecimiento de árboles puede parecer como una fantasía, pero el trabajo nos exige pensar “fuera del telescopio”.  Muchos eventos interesantes de rayos cósmicos aun no se han descubierto, escondidos en arboles enterrados.  Mientras los telescopios Cherenkov pueden ser las herramientas críticas del presente y futuro, los árboles antiguos son herramientas útiles para estudiar los rayos cósmicos del pasado.