En busca de rayos cósmicos ultra-energéticos

Ilustración de un rayo cósmico llegando a la Tierra. Crédito: NSF/J. Yang.

Artículo en el que se basa este astrobito: Ultra-High-Energy Cosmic-Ray Sources Can Be Gamma-Ray Dim

Autoría: Angelina Partenheimer, Ke Fang, Rafael Alves Batista, and Rogerio Menezes de Almeida 

Institución del primer autor: Department of Physics, Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center, University of Wisconsin, Madison, WI 53706, USA

Estado de la publicación: publicado en “The Astrophysical Journal Letters”, vol. 967, L15.

El Universo más energético

Cada segundo, la Tierra es bombardeada con cientos de partículas de muy alta energía, originadas en los procesos más violentos del Universo. Por suerte para nosotros y para la vida en nuestro planeta, la atmósfera actúa como como un escudo que nos protege de esta radiación. Sin embargo, su estudio entraña un gran interés para comprender en detalle cómo funcionan los procesos físicos más energéticos de la naturaleza, incluso más de lo que podemos llegar a alcanzar con los experimentos desarrollados en los aceleradores de partículas más avanzados como el CERN.

Las dos formas en las que esta radiación alcanza a la Tierra son como fotones de rayos gamma, es decir, luz similar a la que podemos ver con nuestros ojos pero con una energía muy superior, lo que hace que no sea visible a simple vista; o rayos cósmicos. Estos últimos son partículas cargadas, principalmente protones o núcleos de helio, aunque también pueden tratarse en algunos casos de electrones y núcleos de elementos algo más pesados. La gran diferencia entre ellos que el los rayos gamma, al tratarse de fotones, no se ven afectados por los campos magnéticos de los diferentes cuerpos celestes, los campos magnéticos intergalácticos o el propio campo magnético de la Tierra, por lo que podemos saber exactamente de dónde proceden simplemente midiendo la dirección en la que viajaban en su llegada a nuestro planeta. Cabe destacar que tanto los rayos gamma como los rayos cósmicos necesitan condiciones extremas para su producción, con procesos de aceleración de partículas extremadamente energéticos, por lo que su estudio es de gran interés no solo para la comunidad astronómica sino también para la física de partículas.

Los rayos cósmicos sin embargo, al estar cargados, se ven desviados por la influencia de estos campos magnéticos. Esto supone un gran problema para la comunidad astrofísica, ya que es imposible conocer con seguridad el lugar en el que han sido producidos. Sabemos que deben producirse en objetos increíblemente violentos y energéticos como supernovas, estallidos de rayos gamma o núcleos galácticos activos con un agujero negro supermasivo central, pero no podemos saber exactamente de dónde proceden los rayos cósmicos que observamos. Por lo tanto a día de hoy, le origen de los rayos cósmicos continúa siendo una incógnita sin resolver.

Figura 1: Mapa completo del cielo visto por el satélite Fermi-LAT en energías de rayos gamma. Los colores rojos-amarillos indican una mayor emisión, concentrándose ésta en el plano de nuestra galaxia. Fuera de este plano, encontramos principalmente fuentes puntuales que corresponden en su mayoría a núcleos activos de galaxias. Crédito: NASA.

Origen común de rayos gamma y rayos cósmicos

En el artículo presentado en el astrobito de hoy, el equipo de investigación responsable pone a prueba la posibilidad de que los rayos gamma y rayos cósmicos de mayor energía del Universo provengan del mismo tipo de fuentes. Para ello hacen uso de los datos del telescopio espacial de rayos gamma Fermi-LAT de la NASA, que lleva en órbita observando todo el cielo desde 2008 (la Figura 1 representa el cielo visto a través de los ojos de Fermi-LAT tras 12 años de observación).

Para ello han construido una muestra de las fuentes de rayos gamma más energéticas, modelando la distribución de rayos cósmicos esperada bajo dos escenarios diferentes. El primero de ellos consideraba que aquellas fuentes que emitían mayor cantidad de rayos gamma se comportaban de igual manera respecto a su emisión de rayos cósmicos. Por otro lado, el segundo escenario posible consideraba que todas las fuentes podían tener la misma emisión de rayos cósmicos independientemente de su emisión gamma, ayudando a corregir efectos introducidos por la falta de completitud de los catálogos del telescopio Fermi-LAT, que no es capaz de detectar las fuentes más lejanas y más débiles.

¿Más rayos cósmicos, menos rayos gamma?

La distribución de rayos cósmicos obtenida en ambos escenarios resultó ser hasta 5 veces más irregular de lo esperado (Figura 2). Esta diferencia con las observaciones sugiere que todas las fuentes detectadas hasta el momento por el satélite Fermi-LAT no son capaces de explicar el la distribución de rayos cósmicos ultra-energéticos observada en el Universo. Por lo tanto, es necesario un mayor número de objetos emisores de rayos gamma y rayos cósmicos que los conocidos actualmente. 

El equipo firmante del artículo estima la “falta” de hasta unas 80000 fuentes de rayos gamma para poder compensar la diferencia observada con los datos reales, que corresponde a decenas de miles más de las conocidas actualmente! El estudio concluye sugiriendo que si los rayos cósmicos de estas energías son producidos en fuentes que también emiten rayos gamma, un alto porcentaje de éstos debe provenir de fuentes tan débiles que los instrumentos con los que contamos en la actualidad no hay sido todavía capaces de detectarlas. Por lo tanto, futuras generaciones de telescopios, más sensibles que los actuales, serán capaces de revelar más información sobre el origen de estas elusivas partículas, que podría no estar asociado a una emisión intensa de radiación gamma.

Figura 2: Mapa del cielo correspondiente al flujo de rayos cósmicos esperado en el escenario de un flujo uniforme de rayos cósmicos. La escala de colores representa el nivel de flujo. Crédito: Figura 4 del artículo original.