Anisotropías en nuestra galaxia

• Título:   “Northern sky Galactic Cosmic Ray anisotropy between 10-1000 TeV with the Tibet Air Shower Array“
• Autores: Tibet AS-gamma collaboration (M. Amenomori)
• Institución del primer autor: Hirosaki University, Japon
• Astrobite original: Anisotropies in our galaxy

Rayos cósmicos galácticos

Uno de los grandes misterios sin resolver en astrofísica de partículas es el origen y los mecanismos de aceleración de los rayos cósmicos, partículas cargadas que están constantemente bombardeando la Tierra. Es imposible saber en qué fuente astronómica tiene su origen un rayo cósmico particular: dado que los rayos cósmicos son partículas cargadas, son deflectados por el campo magnético de la Vía Láctea en su camino a la Tierra. Debido a esto, uno esperaría observar rayos cósmicos provinientes de todas las direcciones de manera isotrópica (es decir, sin preferencia por una dirección particular), con pequeñas anisotropías debidas a efectos de difusión. Sin embargo, no es esto lo que se observa: existe una anisotropía a grandes escalas con una amplitud que depende de la energía de los rayos cósmicos que se observen. Esto es problemático para los modelos tradicionales de difusión, lo que hace el estudio de esta anisotropía tremendamente importante para comprender los rayos cósmicos.

Los autores del artículo de hoy usaron cinco años de datos del experimento Tibet Air Shower, localizado a 4300 metros de altura en Tibet, para actualizar el estudio de la anisotropía de rayos cósmicos. El área del cielo que observaron es ligeramente mayor que en sus artículos anteriores, y en combinación con los datos del experimento IceCube en la Antártida, nos permiten obtener una visión completa del cielo en el rango de energías en torno a cientos de TeV.

Izquierda: anisotropías observadas en 5 intervalos de frecuencia distintos. La frecuencia media de cada intervalo es 15, 50, 100, 300 y 1000 TeV. Derecha: proyección 1D de la figura de la izquierda sobre la coordenada azimutal (ascensión recta). La curva azul corresponde al ajuste del primer armónico de los datos. Es importante notar la variación de la fase del mismo con la energía. Imagen obtenida del artículo original.

Nuevos resultados

Los autores construyeron mapas del cielo a distintas energías, encontrando los siguientes resultados:

• A energías cercanas a la mediana de la distribución (~300 TeV) hay dos regiones que pueden apreciarse a simple vista, con un exceso y un déficit de rayos cósmicos respectivamente (aunque solamente el exceso es estadísticamente significativo una vez tenido en cuenta el conocido como “look-elsewhere effect“). Los resultados se encuentran de acuerdo con las observaciones de IceCube en el mismo rango de frecuencias. Los autores intentaron determinar si esta anisotropía se debe al efecto Compton-Getting, causado por el movimiento de nuestro sistema solar en torno al centro de la galaxia. Este efecto predeciría un exceso de rayos cósmicos en la dirección de movimiento de la Tierra, con un déficit en la dirección opuesta. Los autores concluyeron que el exceso observado no está relacionado con el efecto Compton-Getting.
• La anisotropía parece depender de la energía de los rayos cósmico, de forma que los mapas en el rango de 15 a 50 TeV muestran señales completamente diferentes a los mapas a más altas energías (ver figura superior).
• Los efectos observados tampoco se encuentran relacionados con variaciones estacionales de la eficiencia de los detectores, y se determinó que los efectos atmosféricos son también despreciables para este experimento.

¿Cuáles son las implicaciones de esto? Estudios como estos nos dan pistas acerca del origen de los rayos cósmicos. Por ejemplo, a ~300 TeV el exceso más significativo parece provenir de la dirección del centro de la Galaxia. Sin embargo, la dependencia en energía de este exceso demuestra que aún nos queda mucho por aprender acerca de los procesos de difusión de rayos cósmicos. Los cambios en esta anisotropía podrían implicar que los parámetros que gobiernan la propagación de los rayos cósmicos están evolucionando.