Cuando mis colegas y yo nos pusimos a trabajar en un misterio cósmico de hace un siglo, encontramos un laboratorio celestial inesperado en Terzan 5, un denso cúmulo de estrellas que actualmente se precipita a través de nuestra galaxia a una velocidad vertiginosa.
Esta rareza estelar nos ha permitido estudiar el comportamiento de los rayos cósmicos, partículas de alta energía cuyas trayectorias erráticas a través del espacio han desconcertado a los astrónomos desde su descubrimiento en 1912.
Al observar la radiación producida por los rayos cósmicos de Terzan 5, hemos logrado un hito científico: medir la rapidez con la que estas partículas cambian de dirección debido a las fluctuaciones en los campos magnéticos interestelares. Nuestra investigación se publica en Nature Astronomy.
Radiación de movimiento rápido desde el espacio exterior
Nadie esperaba que hubiera rayos cósmicos allí. Cuando se descubrió la radiactividad por primera vez en la década de 1890, los científicos pensaron que todas las fuentes de radiación estaban en la Tierra.
Pero en 1912, el físico austro-estadounidense Victor Hess midió el nivel de radiación ambiental en un globo a gran altitud y descubrió que era mucho más alto que a nivel del suelo, incluso durante un eclipse cuando el sol estaba bloqueado. Esto significaba que la radiación tenía que provenir del espacio.
Hoy conocemos la misteriosa radiación que Hess descubrió como rayos cósmicos: núcleos atómicos y partículas elementales como protones y electrones que de alguna manera han sido acelerados a casi la velocidad de la luz. Estas partículas viajan a través del espacio interestelar y, gracias a sus altas energías, una pequeña fracción de ellas puede penetrar la atmósfera superior, como descubrió Hess.
Pero no es fácil saber de dónde provienen. Los rayos cósmicos son partículas cargadas, lo que significa que su dirección de viaje cambia cuando encuentran un campo magnético.
La imagen estática del cosmos de rayos cósmicos
El efecto de deflexión magnética proporciona la tecnología básica para los viejos monitores y televisores de tubo de rayos catódicos (TRC), que lo utilizan para dirigir los electrones hacia la pantalla y crear una imagen. El espacio interestelar está lleno de campos magnéticos, y esos campos fluctúan constantemente, desviando los rayos cósmicos en direcciones aleatorias, algo así como un TRC roto en un televisor viejo que solo muestra estática.
Por lo tanto, en lugar de que los rayos cósmicos vengan directamente hacia nosotros desde su fuente como lo hace la luz, terminan dispersándose casi uniformemente por la galaxia. Aquí en la Tierra los vemos llegar casi por igual desde todas las direcciones en el cielo.
Si bien ahora entendemos esta imagen general, faltan la mayoría de los detalles. La uniformidad de los rayos cósmicos en el cielo nos dice que las direcciones de los rayos cósmicos cambian aleatoriamente, pero no tenemos una buena manera de medir qué tan rápido ocurre este proceso.
Tampoco entendemos la fuente última de las fluctuaciones magnéticas. O no la entendíamos, hasta ahora.
Terzan 5 y los rayos gamma desplazados
Aquí es donde entra en juego Terzan 5. Este cúmulo estelar es un abundante productor de rayos cósmicos, porque contiene una gran población de estrellas increíblemente densas y magnetizadas que giran rápidamente, llamadas púlsares de milisegundos, que aceleran los rayos cósmicos hasta alcanzar velocidades extremadamente altas.
Estos rayos cósmicos no llegan hasta la Tierra, gracias a esos campos magnéticos fluctuantes. Sin embargo, podemos ver una señal reveladora de su presencia: algunos de los rayos cósmicos chocan con los fotones de la luz de las estrellas y los convierten en partículas no cargadas de alta energía llamadas rayos gamma.
Los rayos gamma viajan en la misma dirección que el rayo cósmico que los creó, pero a diferencia de los rayos cósmicos, los rayos gamma no son desviados por los campos magnéticos. Pueden viajar en línea recta y llegar a la Tierra.
Debido a este efecto, a menudo vemos rayos gamma que provienen de fuentes poderosas de rayos cósmicos. Pero en Terzan 5, por alguna razón, los rayos gamma no se alinean exactamente con las posiciones de las estrellas. En cambio, parecen provenir de una región situada a unos 30 años luz de distancia, donde no hay ninguna fuente obvia.
Un «cometa» a escala galáctica
Este desplazamiento ha sido una curiosidad inexplicable desde que se descubrió en 2011, hasta que se nos ocurrió una explicación.
Terzan 5 está cerca del centro de nuestra galaxia hoy en día, pero no siempre es así. El cúmulo de estrellas se mueve en una órbita muy amplia que lo mantiene alejado del plano de la galaxia la mayor parte del tiempo.
Resulta que ahora mismo está atravesando la galaxia. Como esta caída se produce a cientos de kilómetros por segundo, el cúmulo forma una capa de campos magnéticos a su alrededor, como la cola de un cometa que se lanza a través del viento solar.
Los rayos cósmicos lanzados por el cúmulo viajan inicialmente a lo largo de la cola. No vemos ninguno de los rayos gamma que estos rayos cósmicos producen, porque la cola no apunta directamente hacia nosotros; estos rayos gamma se emiten a lo largo de la cola y se alejan de nosotros.
Y aquí es donde entran en juego las fluctuaciones magnéticas. Si los rayos cósmicos se mantuvieran bien alineados con la cola, nunca los veríamos, pero gracias a las fluctuaciones magnéticas sus direcciones comienzan a cambiar.
Finalmente, algunos de ellos comienzan a apuntar hacia nosotros, produciendo rayos gamma que podemos ver. Pero esto lleva aproximadamente 30 años, por lo que los rayos gamma no parecen provenir del propio cúmulo.
Para cuando un número suficiente de ellos apunta hacia nosotros para que sus rayos gamma sean lo suficientemente brillantes como para ser visibles, han viajado 30 años luz por la cola magnética del cúmulo.
Rayos cósmicos y campos magnéticos interestelares
Así que, gracias a Terzan 5, por primera vez hemos podido medir cuánto tardan las fluctuaciones magnéticas en cambiar las direcciones de los rayos cósmicos. Podemos utilizar esta información para probar teorías sobre cómo funcionan los campos magnéticos interestelares y de dónde provienen sus fluctuaciones.
Esto nos acerca mucho más a la comprensión de la misteriosa radiación del espacio descubierta por Hess hace más de 100 años.
Con información de Nature
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