Aceleradores de partículas galácticos: produciendo la radiación más energética del Universo

Crédito: Calar Alto, Spitzer Space Telescope, Chandra X-Ray Observatory.

Artículo en el que se basa este astrobito: HAWC J2227+610 and Its Association with G106.3+2.7, a New Potential Galactic PeVatron

Autoría: Colaboración HAWC (A. Albert et al.)

Institución del primer autor: Physics Division, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM, USA

Estado de la publicación: publicado en “The Astrophysical Journal Letters”, vol. 896, L29.

Bombardeo de rayos cósmicos

Nuestro planeta es bombardeado de forma constante por rayos cósmicos acelerados en su viaje por el Universo, en muchos casos hasta energías mucho más altas de las que somos capaces de alcanzar con cualquier experimento diseñado y construido por el ser humano. Estos rayos cósmicos, que llegan a alcanzar velocidades cercanas a la de la luz (hasta 0.99 veces la velocidad de la luz en el vacío), están compuestos principalmente por protones, núcleos de hidrógeno, helio, y en algunos casos de elementos más pesados. El espectro de energía de los rayos cósmicos se extiende varios órdenes de magnitud en energía (Figura 1), llegando a alcanzar energías de exa-electronvoltios (EeV), o lo que es lo mismo, un trillón de veces un electronvoltio (eV), la energía de un electrón al moverse de un punto a otro en un campo eléctrico de 1 voltio.

Figura 1: Espectro de energía de los rayos cósmicos. La región amarilla representa el rango de energía de rayos cósmicos que se cree que son producidos en el Sol. La región azulada representa a aquellos de origen galáctico. La zona rosada indica aquellos rayos cósmicos de origen extragaláctico. Crédito: Figura adaptda de Swordy (2001).

Los rayos cósmicos de mayor energía tienen su origen más probable fuera de nuestra galaxia. Sin embargo aquellos con energías de peta-electronvoltios (mil billones de electronvoltios, 100 veces la energía alcanzada en el Gran Colisionador de Hadrones o LHC), están producidos en algunos de los lugares más extremos de nuestra propia galaxia. Estudiando estos objetos conocidos como PeVatrones somos capaces de entender los procesos de aceleración de partículas más energéticos y violentos de nuestra galaxia, y entre los más energéticos del Universo.

Localizando el origen

Sin embargo, los rayos cósmicos, como cualquier partícula cargada, interaccionan con los campos magnéticos de diferentes objetos que encuentran, así como con los campos magnéticos interestelares (ver Figura 2). Estos campos magnéticos cambian constantemente las trayectorias de los rayos cósmicos, de forma que resulta imposible descifrar su lugar de origen de manera directa, simplemente por la dirección en la que los observamos. 

Figura 2: Ilustración de la propagación de los rayos cósmicos por el Universo, desviados por campos magnéticos, con respecto a los rayos gamma que no sufren el efecto de estos campos y llegan a nosotros en la misma dirección desde la que fueron emitidos. En la figura se ilustra también la propagación de neutrinos, que llegan a la Tierra sin perturbaciones al igual que los rayos gamma. Crédito: Colaboración IceCube.

Por lo tanto, la comunidad investigadora ha optado por buscar otros mensajeros que nos den más información sobre la localización de estos aceleradores de partículas naturales. Estos son los rayos gamma, que al tratarse de fotones sin masa ni carga, no se ven desviados por los campos magnéticos. Los rayos cósmicos producidos en PeVatrones pueden interaccionar con gas y polvo en sus alrededores, dando lugar a la producción de rayos gamma de energías tan altas como los rayos cósmicos. Buscando el origen de estos rayos gamma podemos encontrar PeVatrones en nuestra galaxia y conocer su origen.

Aceleradores de partículas en el Universo

El origen de estos misteriosos y extremadamente energéticos objetos puede estar un poco más cerca gracias a un estudio llevado a cabo por la Colaboración HAWC. Esta colaboración científica es responsable del observatorio de rayos gamma del mismo nombre, que gracias al efecto Cherenkov es capaz de observar rayos gamma desde la superficie de la Tierra de hasta más de 1 billón de electronvoltios (más de 100 tera-electronvoltios).

En este estudio, la colaboración presenta sus observaciones de un remanente de supernova situada a 2600 años luz de nuestro planeta conocida como SNR G106.3+2.7. En esta publicación se presenta la detección de este remanente de supernova en el rango del espectro de rayos gamma de hasta 100 tera-electronvoltios, tal y como se muestra en la Figura 3. Además, a través de un modelo del espectro de los rayos gamma de este remanente de supernova, el equipo concluye que la emisión observada es compatible con un escenario en el que los rayos gamma son emitidos por la interacción de rayos cósmicos acelerados en la supernova, por la interacción de estos con gas y polvo. Estos rayos cósmicos alcanzarían así energías hasta 10 veces superiores a los rayos gamma y serían acelerados debido a las ondas de choque producidas por la explosión de supernova. Después, los rayos cósmicos chocarían con polvo y gas expulsados por la misma, danto lugar a la emisión de radiación gamma, que llegaría hasta nosotros sin cambiar su dirección como lo harían los rayos cósmicos en ausencia de campos magnéticos durante su trayecto a la Tierra.

Figura 3: Mapas representando la detección del remanente de supernova SNR G106.3+2.7 por el observatorio HAWC. El panel izquierdo representa la significancia estadística de la señal emitida por la remanente de supernova con respecto a la radiación de fondo o ruido, en términos de desviaciones estándar. El panel derecho se muestra la emisión de rayos gamma a energías más bajas que las observadas por HAWC, detectada previamente por los telescopios VERITAS de rayos gamma, mostrando una región galáctica compleja con varias fuentes extensas de radiación. La escala de color representa la densidad de hidrógeno molecular de la región, y los contornos corresponden con las coordenadas medidas por HAWC con diferentes probabilidades. Crédito: Figura 1 del artículo original.

Aún es pronto para asegurar si la aceleración de partículas en todos los PeVatrones de nuestra galaxia se produce gracias al mismo mecanismo, pero desde luego este estudio nos ayuda a comprender qué procesos dan lugar a las partículas y a la radiación más energéticas del Universo, que no somos capaces de reproducir con nuestros experimentos.