Aceleración de partículas en el centro galáctico

Título del artículo técnico:  Characterising the VHE diffuse emission in the central 200 parsecs of our Galaxy with H.E.S.S

Autores: Colaboración HESS

Estado: Enviado a Astronomy and Astrophysics, [open access]

Astrobite original: Particle acceleration in the Galactic Center por Kelly Malone

La astrofísica de partículas es un campo en rápido crecimiento que toma elementos tanto de la física como de la astronomía. Una de las grandes preguntas abiertas en dicho campo es cómo exactamente se aceleran los rayos cósmicos (compuestos de partículas astrofísicas cargadas como los protones),  además de dónde se originan. Sabemos que la mayoría de los rayos cósmicos galácticos se asocian con remanentes de supernovas, pero estos no son capaces de acelerar los rayos cósmicos de mayor energía. Muchas teorías apuntan hacia actividad  en y alrededor del centro galáctico como una importante región para resolver este misterio.

Dado que los rayos cósmicos son partículas cargadas, son desviados por campos magnéticos durante el viaje a la Tierra y por tanto no apuntan en dirección a su fuente. Una de las maneras de evitar este problema es estudiar los rayos gamma (fotones de alta energía) . Estos están asociados con fuentes de rayos cósmicos, pero al ser neutrales, es posible trazar su trayectoria de regreso hasta su origen. Los rayos gamma se producen en estos lugares por procesos tales como la dispersión de Compton inversa y la radiación de sincrotrón.

HESS es un telescopio de rayos gamma ubicado en Namibia, que ha realizado una gran cantidad de observaciones de la región del centro galáctico a lo largo de más de una década. La colaboración HESS ha publicado dos artículos de alto perfil sobre este tema. El primero, de 2006, detallaba el descubrimiento de radiación gamma difusa de alta energía en la región que apuntaba a una densidad de rayos cósmicos nueve veces mayor que la densidad de rayos cósmicos en la Tierra. Se pensó que los rayos gamma estaban relacionados con una inyección de rayos cósmicos por una fuente desconocida localizada cerca del centro galáctico.

Un segundo artículo, publicado el año pasado, cambió este cuadro drásticamente. Un estudio en mayor profundidad de los rayos gamma en la región llevó a la observación de un gradiente en el perfil de densidad de rayos cósmicos. El perfil era consistente con partículas siendo inyectadas por una fuente localizada en el centro galáctico, en lugar de meramente cerca de éste. Esto marcó la primera observación de un PeVatrón galáctico, es decir, una fuente que acelera partículas cargadas a energías mayores a 1 PeV (puedes ver el Astrobite en inglés cubirendo ese artículo aquí). Sgr A* , el agujero negro en el centro de la galaxia, fue propuesto como la fuente.

Figura 1.- Perfil longitudinal de la emisión en rayos gamma de la cresta del centro galáctico. La línea verde punteada es el modelo basado en el artículo de 2006, y la azul es el modelo más reciente. Nota que el modelo de 2006 falla en explicar el pico. (Crédito: Figura 2 del artículo original)

El artículo de hoy se construye sobe la base de los dos artículos antes mencionados para tener una visión aun más profunda de la región. Los autores revisaron todos los componentes que contribuyen a la emisión de rayos gamma en la región de la cresta del centro galáctico (se refiere a la región central de la banda de la Vía Láctea oscurecida por nubes de polvo, N. del T.) y estudiaron sus morfologías. Una dificultad de hacer un estudio de este tipo  es que se necesita un modelo físicamente motivado que se base parcialmente en distribuciones de gas en la región, pero no existen modelos confiables del gas en 3D. En su lugar, realizaron un análisis iterativo de máxima verosimilitud para extraer los componentes. Esto es, le agregaron diferentes componentes que contribuyen a la emisión (como fuentes puntuales, componentes relacionados al gas, etc.) uno por uno, estando pendientes de los residuos hasta que el ajuste convergió (ver Figura 1).

Figura 2. Una ilustración de cómo funciona un proceso de ajuste iterativo. Cada panel izquierdo muestra una componente que es sumada al modelo, y el derecho es el mapa residual, o lo que queda de los datos después de que el modelo se resta (Crédito: Figura 3 del artículo original)

Los autores sacaron unas pocas lecciones de este estudio. Encontraron que la emisión de rayos gamma se extiende mucho más lejos que lo reportado en su último artículo, lo que significa que los rayos cósmicos con energías PeV también están presentes en un área más grande de lo previamente reportado. Una parte de esta emisión no está correlacionada con trazadores de gas molecular, implicando que se originan probablemente de las interacciones de los rayos cósmicos con gas difuso, aunque algo de ella podría provenir de fuentes no resueltas. También detectaron una componente centrada en Sgr A*, confirmando el resultado de su artículo de 2016. Finalmente, detectaron una nueva fuente puntual de rayos gamma en la región y mostraron que está probablemente asociada con una candidata a  nebulosa de viento de pulsar previamente detectada en rayos-X.

Aunque esto es un paso más hacia nuestro entendimiento de esta complicada región, aún hay mucho por hacer. La técnica utilizada no permite determinar los espectros de energía de los diferentes componentes a gran escala. Los autores de este artículo mencionan que el Conjunto de Telescopios Cherenkov, un experimento planeado para el futuro, tendrá una mejor resolución y probablemente será capaz de lograr esto.