El enigma del cielo de energía ultra alta: ¿de dónde vienen los rayos gamma?

Título del artículo original: The isotropic γ-ray emission above 100 GeV: where do very high energy γ rays come from?
Autores: Raniere de Menezes, Raffaele D’Abrusco, Francesco Massaro, Sara Buson
Institución del primer autor: Universidad de Würzburg, Alemania.
Estado de la publicación: Acceso abierto en arXiv.org.

Históricamente, la comunidad astronómica han observado el cielo con sus propios ojos desde tiempos remotos. La invención del telescopio por supuesto fue un enorme avance, pero aún los astrónomos observaban con sus propios ojos. Actualmente, utilizamos todo el espectro de la luz para observar el cosmos, y aprendemos algo distinto con cada banda de observación. El espectro de luz consiste en todos los tipos distintos de luz que se pueden observar, como la luz infrarroja (conocida por su uso en cámaras térmicas de visión nocturna), microondas (como el horno de la cocina), radio (igual que la radiotelecomunicación), el ultravioleta (¡quema la piel!), los rayos X (para ver huesos), y los rayos gamma, los más energéticos de todos. Los autores del artículo de hoy utilizan estos últimos en su investigación, donde buscan emparejar los rayos gamma con fuentes conocidas de este tipo de radiación de alta energía. Pero, ¿tendrá cada rayo gamma su fuente, o acaso algunos rayos no tendrán una fuente conocida?

Observando el cielo en rayos gamma

Los autores utilizan los datos del telescopio espacial Fermi, capaz de observar rayos gamma. Esto es necesario porque la atmósfera bloquea los rayos gamma, lo que es afortunado, pues son dañinos para la vida. Cuando la luz tiene tanta energía como un rayo gamma, captarlos es muy difícil y además es complicado determinar con precisión de dónde vinieron. En las energías que le interesan a los autores, el telescopio Fermi tiene una precisión de 0,1º en el cielo, lo que significa que una detección se puede atribuir a un círculo de ese tamaño angular. Esa imprecisión es más o menos un quinto del diámetro de la Luna. El telescopio espacial James Webb, que observa en otra banda, tiene una precisión 3600 veces mejor.

Ya que las energías de los rayos gamma seleccionados por los autores son tan grandes, ellos postulan una hipótesis razonable: que cada uno debería ser asociable a una fuente conocida de rayos de alta energía. Es importante saber cómo es posible que se produzcan rayos tan energéticos. Hasta el momento, tenemos varios candidatos que creemos pueden hacerlo: supernovas y sus remanentes, pleriones, galaxias con brotes de formación estelar, radiogalaxias, brotes de rayos gamma, y blazares. Nos concentraremos en éstos últimos.

Los blazares son un tipo de galaxia con un núcleo activo. Lo que esto quiere decir es que creemos que ese tipo de galaxias tiene un núcleo donde eventos catastróficos están ocurriendo, como por ejemplo que su agujero negro supermasivo central está absorbiendo el gas circundante. Esto resulta en grandes cantidades de luz y energía en el centro de la galaxia, y también a menudo en un chorro o par de chorros de gas ultra caliente, ultra rápido, moviéndose casi a la velocidad de la luz. A veces, por coincidencia ocurre que el chorro está orientado directamente hacia nosotros. En ese caso, la galaxia se observa con un brillo mucho mayor de lo normal – estos raros objetos se llaman blazares. Los autores suponen que la gran mayoría de los rayos gamma observados por Fermi han de provenir de blazares conocidos. Otra teoría reciente, por otro grupo, sugiere que las galaxias jóvenes con alta formación estelar explican las observaciones de Fermi por sí solas. En este artículo intentan probar o desmentir la teoría de las galaxias jóvenes con alta formación estelar.

¿Qué nos dicen los rayos gamma?

Los autores utilizan los datos del telescopio Fermi tomados desde 2008, quedándose exclusivamente con las detecciones con mayor certeza, y descartando cualquiera que provenga de la Vía Láctea. Recordemos que ellos están interesados sólo en objetos extragalácticos. Debido a la resolución angular del telescopio que mencionábamos antes, se puede esperar que una fuente se vea “esparcida” en un círculo y por lo tanto, es preciso juntar algunos rayos gamma que se pueden asumir vienen del mismo objeto. Utilizaron el catálogo de fuentes conocidas del telescopio Fermi para “reunir” los rayos de objetos conocidos, y así no tener la misma detección repetida varias veces.

Los autores además se preocuparon de descartar rayos posiblemente provenientes de las Burbujas de Fermi: enormes aglomeraciones de plasma ultra caliente que con toda probabilidad provienen del centro de la Vía Láctea. Hay una Burbuja en el sur y otra en el norte de la galaxia. Para los autores, la Burbuja sur se alcanza a asomar a la sección del cielo que están observando, así que descartan todas las detecciones provenientes de esa vecindad.

Los datos crudos consistían en 1165 detecciones en el norte y 794 en el sur. La diferencia es debido a que Fermi ha cubierto menos el hemisferio sur. Después de remover los rayos redundantes y los de la Burbuja sur, quedan 743 en el norte y 612 en el sur. Los autores comparan las posiciones en el cielo de esos rayos gamma con las posiciones de galaxias y blazares conocidos, esperando que deberían calzar el uno con el otro.

Lo que encontraron es sorprendente: aproximadamente 25% de los rayos gamma se pueden asociar a una fuente conocida previamente. Eso deja 75% sin explicación. De los 25% que tienen una fuente correspondiente, el 70% está asociado a un blazar, no a una galaxia con brote de formación estelar, como predecía el otro modelo teórico. Los autores intentaron asociar con otros catálogos de otras fuentes, pero ninguna logra explicar más allá de un cuarto aproximadamente. No sólo eso: hay más blazares conocidos que rayos gamma detectados, lo que sugiere que el problema no es que hay una población de blazares “ocultos”. ¿Cómo explicamos el 75% de rayos sin fuente? Por el momento sólo podemos especular, pero quizás con telescopios futuros como la Matriz de Telescopios Cherenkov, lograremos decifrar este enigma. ¡Mantengámonos al tanto!