El telescopio Fermi de la NASA confirma que el naufragio estelar es fuente de partículas cósmicas extremas


Los astrónomos han buscado durante mucho tiempo los lugares de lanzamiento de algunos de los protones de mayor energía de nuestra galaxia. Ahora, un estudio que utiliza 12 años de datos del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA confirma que un remanente de supernova es un lugar así.
Fermi ha demostrado que las ondas de choque de las estrellas que explotan impulsan las partículas a velocidades comparables a la de la luz. Llamadas rayos cósmicos, estas partículas toman principalmente la forma de protones, pero pueden incluir núcleos atómicos y electrones. Debido a que todos llevan una carga eléctrica, sus caminos se revuelven a medida que atraviesan el campo magnético de nuestra galaxia. Dado que ya no podemos decir en qué dirección se originaron, esto enmascara su lugar de nacimiento. Pero cuando estas partículas chocan con el gas interestelar cerca del remanente de la supernova, producen un brillo revelador en rayos gamma, la luz de mayor energía que existe.

Ilustración del telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA en el trabajo. Crédito: Laboratorio de imágenes conceptuales del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

«Los teóricos creen que los protones de rayos cósmicos de mayor energía en la Vía Láctea alcanzan un millón de billones de electronvoltios, o energías PeV», dijo Ke Fang, profesor asistente de física en la Universidad de Wisconsin, Madison. «La naturaleza precisa de sus fuentes, que llamamos PeVatrons, ha sido difícil de precisar».

Atrapadas por campos magnéticos caóticos, las partículas cruzan repetidamente la onda de choque de la supernova, ganando velocidad y energía con cada paso. Eventualmente, el remanente ya no puede retenerlos y se lanzan al espacio interestelar.

Explore cómo los astrónomos localizaron un remanente de supernova que dispara protones a energías 10 veces mayores que el acelerador de partículas más poderoso de la Tierra. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

Impulsados ​​a unas 10 veces la energía reunida por el acelerador de partículas más poderoso del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones, los protones PeV están a punto de escapar de nuestra galaxia por completo.

Los astrónomos han identificado algunos PeVatrones sospechosos, incluido uno en el centro de nuestra galaxia. Naturalmente, los remanentes de supernova encabezan la lista de candidatos. Sin embargo, de unos 300 remanentes conocidos, solo se ha encontrado que unos pocos emiten rayos gamma con energías suficientemente altas.

Un naufragio estelar en particular ha llamado mucho la atención de los astrónomos de rayos gamma. Llamada G106.3+2.7, es una nube con forma de cometa ubicada a unos 2.600 años luz de distancia en la constelación de Cefeo. Un púlsar brillante cubre el extremo norte del remanente de supernova, y los astrónomos creen que ambos objetos se formaron en la misma explosión.

El telescopio de área grande de Fermi, su instrumento principal, detectó rayos gamma de mil millones de electronvoltios (GeV) desde el interior de la cola extendida del remanente. (A modo de comparación, la energía de la luz visible mide entre aproximadamente 2 y 3 electronvoltios). El Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) en el Observatorio Fred Lawrence Whipple en el sur de Arizona registró rayos gamma de energía aún más alta de la misma región. Y tanto el Observatorio de Rayos Gamma Cherenkov de Agua a Gran Altitud en México como el Experimento Tíbet AS-Gamma en China han detectado fotones con energías de 100 billones de electronvoltios (TeV) del área sondeada por Fermi y VERITAS.

«Este objeto ha sido una fuente de considerable interés desde hace un tiempo, pero para coronarlo como un PeVatron, tenemos que demostrar que está acelerando protones», explicó el coautor Henrike Fleischhack de la Universidad Católica de América en Washington y Goddard Space de la NASA. Centro de vuelo en Greenbelt, Maryland. «El problema es que los electrones acelerados a unos pocos cientos de TeV pueden producir la misma emisión. Ahora, con la ayuda de 12 años de datos de Fermi, creemos que hemos demostrado que G106.3+2.7 es de hecho un PeVatron».

Esta secuencia compara los resultados de Fermi en tres rangos de energía. Pulsar J2229+6114 es la fuente brillante en la parte superior, el extremo norte del remanente de supernova G106.3+2.7 (resaltado en verde). En cada rango de energía, la secuencia muestra primero el número de rayos gamma y luego las cantidades en exceso en comparación con las expectativas de un modelo del fondo. Los colores más brillantes indican un mayor número de rayos gamma o cantidades en exceso. A las energías más altas, surge una nueva fuente de rayos gamma, que se produce cuando los protones acelerados por la onda de choque de la supernova golpean una nube de gas cercana. Crédito: NASA/Fermi/Fang et al. 2022

Un artículo que detalla los hallazgos, dirigido por Fang, se publicó el 10 de agosto en la revista Physical Review Letters.

El púlsar, J2229+6114, emite sus propios rayos gamma en una baliza similar a un faro mientras gira, y este brillo domina la región a energías de unos pocos GeV. La mayor parte de esta emisión ocurre en la primera mitad de la rotación del púlsar. El equipo apagó efectivamente el púlsar analizando solo los rayos gamma que llegan de la última parte del ciclo. Por debajo de 10 GeV, no hay una emisión significativa de la cola del remanente.

Por encima de esta energía, la interferencia del púlsar es insignificante y la fuente adicional se vuelve evidente. El análisis detallado del equipo favorece abrumadoramente a los protones PeV como las partículas que impulsan esta emisión de rayos gamma.

«Hasta ahora, G106.3+2.7 es único, pero puede convertirse en el miembro más brillante de una nueva población de remanentes de supernova que emiten rayos gamma que alcanzan energías de TeV», señala Fang. «Se pueden revelar más de ellos a través de futuras observaciones de Fermi y observatorios de rayos gamma de muy alta energía».

La NASA explora misterios cósmicos, y este rompecabezas en particular tomó más de una década de observaciones de vanguardia para resolver.

Con información de Physical Review Letters

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