Los púlsares emiten rayos cósmicos con un millón de billones de electronvoltios


Estamos viviendo un momento emocionante, donde los instrumentos de próxima generación y los métodos mejorados están conduciendo a descubrimientos en astronomía, astrofísica, ciencia planetaria y cosmología. A medida que miramos más lejos y con mayor detalle en el cosmos, finalmente se están respondiendo algunos de los misterios más perdurables. De particular interés son los rayos cósmicos, las diminutas partículas que consisten en protones, núcleos atómicos o electrones perdidos que han sido acelerados hasta casi la velocidad de la luz. Estas partículas representan un gran peligro para los astronautas que se aventuran más allá del campo magnético protector de la Tierra.

Ilustración de la Vía Láctea vista desde la Tierra, donde la supernova acelera los rayos cósmicos a altas energías. Crédito: H. Svensmark/Espacio DTU

Al mismo tiempo, los rayos cósmicos interactúan regularmente con nuestra atmósfera (produciendo “lluvias” de partículas secundarias) e incluso pueden haber jugado un papel en la evolución de la vida en la Tierra. Debido a la forma en que transportan una carga eléctrica, que revuelve su camino a medida que viajan a través del campo magnético de la Vía Láctea, los astrónomos se han visto en apuros para encontrar dónde se originan los rayos cósmicos. Pero gracias a un nuevo estudio que examinó 12 años de datos del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA, los científicos han confirmado que los más poderosos se originan a partir de ondas de choque causadas por remanentes de supernova.

La investigación fue dirigida por Ke Fang, profesor asistente del Centro de Astrofísica de Partículas IceCube de Wisconsin en la Universidad de Wisconsin-Madison. A ella se unieron investigadores del Laboratorio de Investigación Naval, el Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas, el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, la Universidad Católica de América y el Centro de Investigación y Exploración en Ciencia y Tecnología Espaciales (CRESST) en Goddard de la NASA. Centro de vuelos espaciales. El artículo que describe sus hallazgos apareció recientemente en Physical Review Letters.

La mitigación contra los rayos cósmicos es una de las principales consideraciones con respecto a futuras misiones a la Luna y Marte. Al igual que la radiación solar, estas partículas de alta energía suponen un riesgo para la salud de los astronautas por su efecto sobre los tejidos y órganos de la piel, pero también por las “lluvias” de partículas secundarias que producen. Esto ocurre cuando los rayos cósmicos entran en contacto con nuestra atmósfera, lo que produce partículas de menor energía como neutrones o electrones, la mayoría de los cuales se desvían hacia el espacio.

En el espacio, sin embargo, los rayos cósmicos producen lluvias después de impactar con material denso, como el escudo contra la radiación. A bordo de la ISS, el impacto de estos rayos crea lluvias de partículas secundarias que atraviesan el casco y llenan el interior con radiación de menor energía. Si bien los astronautas de la ISS pueden limitar su exposición a esta radiación girando de regreso a la Tierra, las misiones de larga duración no tendrán ese lujo. Para las misiones tripuladas a Marte, los astronautas pasarán hasta un año y medio en tránsito, más varios meses en la superficie marciana.

Por esta razón, saber de dónde provienen los rayos cósmicos y el tipo de energías que pueden alcanzar es esencial para desarrollar mejores métodos de protección y mitigación. Durante años, los astrónomos han estado buscando de dónde provienen los rayos cósmicos de mayor energía, aquellos que superan los 1000 billones de electronvoltios (PeV). Estos rayos tienen diez veces la energía generada por el Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más poderoso del mundo, y son casi lo suficientemente poderosos como para escapar de nuestra galaxia.

«Los teóricos creen que los protones de rayos cósmicos de mayor energía en la Vía Láctea alcanzan energías de un millón de billones de electronvoltios (o PeV)», explicó Fang en un reciente comunicado de prensa de la NASA. «La naturaleza precisa de sus fuentes, que llamamos PeVatrons, ha sido difícil de precisar».

Si bien es difícil rastrear los rayos cósmicos hasta su origen, los científicos han observado cómo chocan con el gas interestelar cerca de las supernovas, lo que produce rayos gamma (la luz de mayor energía que existe). A partir de esto, los científicos sugirieron en un estudio anterior (también basado en datos de Fermi) que una fracción significativa de los rayos cósmicos primarios se originan a partir de explosiones de supernovas. Por el bien de su estudio, la profesora Fang y sus colegas analizaron doce años de datos de Fermi sobre SNR G106.3+2, un remanente de supernova con forma de cometa ubicado a unos 2600 años luz de la Tierra en la constelación de Cefeo.

Resultados del Telescopio Espacial Fermi, mostrando G106.3+2 (y J2229+6114) en diferentes rangos de energía. Crédito: NASA/Fermi/Fang et al. 2022

Usando su instrumento principal, el Telescopio de área grande (LAT), Fermi detectó rayos gamma de mil millones de electrones-voltios (GeV) desde el interior de la cola extendida de G106.3+2. Se realizaron observaciones similares utilizando el instrumento Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) en el Observatorio Fred Lawrence Whipple en el sur de Arizona, el Observatorio de rayos gamma Cherenkov de agua a gran altitud en México y el Experimento Tíbet AS-Gamma en China. Estos observatorios detectaron incluso rayos gamma de mayor energía que alcanzaron los 100 billones de electronvoltios (TeV).

Si bien las partículas de rayos cósmicos quedarían atrapadas inicialmente por los poderosos campos magnéticos de los remanentes de la supernova, su camino hace que crucen repetidamente la onda de choque de la supernova. Las partículas ganan velocidad y energía con cada pasada y eventualmente se vuelven demasiado rápidas para que el remanente de la supernova las retenga. En este punto, vuelan hacia el espacio interestelar, donde se vuelven increíblemente difíciles de rastrear hasta su origen. El coautor Henrike Fleischhack, investigador de la Universidad Católica de América en Washington y el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA:

“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. 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”.

Ilustración del telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA en funcionamiento. Crédito: NASA GSFC

El remanente de supernova también es notable por el púlsar J2229+6114 en su extremo norte, que los astrónomos creen que nació de la misma supernova. Este púlsar emite rayos gamma a medida que gira, creando un efecto estroboscópico (como un faro) que normalmente tienen menos de 10 GeV de energía. Estas emisiones solo son visibles durante la primera mitad de la rotación del púlsar y no presentaron ninguna interferencia significativa para Fermi. Sin embargo, el equipo de investigación pudo aislar las emisiones de mayor energía de G106.3+2.7 analizando los rayos gamma que llegan desde la última parte del ciclo.

Su análisis detallado muestra abrumadoramente que los protones PeV son los que estaban impulsando las poderosas emisiones de rayos gamma que observaron. Esta investigación ha demostrado que los remanentes de supernova son la fuente de los rayos cósmicos más poderosos del Universo, aunque quedan algunas preguntas. Si bien los astrónomos han identificado otras fuentes potenciales de PeVatrons, incluidos los Núcleos Galácticos Activos (AGN), los remanentes de supernova permanecen en la parte superior de la lista. Sin embargo, de unos 300 remanentes conocidos, solo se ha encontrado que unos pocos emiten rayos gamma a estas energías.

“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”, agregó Fang. «Se pueden revelar más de ellos a través de futuras observaciones de Fermi y observatorios de rayos gamma de muy alta energía».

Con información de UniverseToday.com

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