En el observatorio High-Altitude Water Cherenkov (HAWC), a 13.000 pies sobre el nivel del mar en el volcán Sierra Negra de México, los investigadores están observando un violento misterio en la galaxia de la Vía Láctea. Un equipo de investigación internacional codirigido por el Laboratorio Nacional de Los Álamos observó rayos gamma de energía ultraalta a más de 100 teraelectronvoltios, rastreando su origen hasta el centro galáctico por primera vez.
«Estos resultados son un vistazo al centro de la Vía Láctea a energías de un orden de magnitud más altas que las vistas hasta ahora», dijo Pat Harding, físico de Los Álamos e investigador principal del Departamento de Energía para el proyecto.
«La investigación confirma por primera vez una fuente PeVatron de rayos gamma de energía ultraalta en un lugar de la Vía Láctea conocido como la Cresta del Centro Galáctico, lo que significa que el centro galáctico es el hogar de algunos de los procesos físicos más extremos del universo».
El observatorio HAWC ha estado recopilando datos durante más de siete años. De esta manera, los investigadores han observado casi 100 eventos de rayos gamma con energías superiores a los 100 teraelectronvoltios.
Como se describe en un análisis dirigido por Sohyoun Yu Cárcaron publicado en The Astrophysical Journal Letters, esos datos permiten estudiar directamente las interacciones de los rayos cósmicos con el PeVatron y compararlas con otras observaciones, lo que ayuda a precisar los procesos de emisión y su ubicación, justo en el centro de la Vía Láctea.
Los procesos más violentos del universo
El propio PeVatron sigue siendo un fenómeno poco comprendido, pero el hecho de su existencia en cualquier forma que adopte apunta al régimen violento del centro galáctico. Se sabe que esa región de la Vía Láctea incluye un agujero negro supermasivo rodeado de estrellas de neutrones y enanas blancas que extraen material de las estrellas cercanas.
La zona está envuelta en densas nubes de gas que alcanzan temperaturas de millones de grados y tienden a impedir gran parte de la observación óptica directa de la región.
La observación de los rayos gamma resulta, por tanto, fundamental para esclarecer los procesos cósmicos que se producen en ese entorno extremo. Los rayos gamma de energía ultraalta se originan con la presencia de una fuente PeVatron, que acelera las partículas hasta alcanzar una energía de un billón de electronvoltios (PeV), un cuatrillón de veces más potente que las partículas de luz que salen de una bombilla.
Los protones de rayos cósmicos generados por el PeVatron viajan a más del 99% de la velocidad de la luz, interactuando con el gas denso del ambiente y dando lugar a rayos gamma de energía ultraalta.
Sin embargo, la naturaleza exacta de los PeVatrons sigue siendo un misterio. Las energías implicadas apuntan a algunos de los procesos más violentos concebibles en el universo: la muerte de una estrella en una supernova, los choques y la radiación que acompañan al nacimiento rico en fusión de una estrella, un agujero negro que se traga a otro agujero negro.
«Muchos de esos procesos son tan raros que no esperaríamos que ocurrieran en nuestra galaxia, o ocurren en escalas que no se correlacionan con el tamaño de nuestra galaxia», dijo Harding. Por ejemplo, un agujero negro que se comiera a otro agujero negro sería un evento que sólo se esperaría fuera de nuestra galaxia».
Luz Cherenkov en la detección de partículas
HAWC es un experimento único diseñado para capturar los relativamente pocos rayos gamma de energía ultraalta que pueden viajar distancias interestelares y llegar a la Tierra. En las laderas del volcán Sierra Negra, 300 silos de granos están llenos de agua, el fondo de cada silo revestido con detectores fotomultiplicadores.
Cuando las partículas de energía ultraalta alcanzan la atmósfera de la Tierra, se descomponen en extensas lluvias de partículas de menor energía. A medida que las partículas cargadas pasan a través de los tanques a una velocidad que supera la velocidad de fase del agua, producen luz Cherenkov, o radiación Cherenkov, un brillo azul, un efecto algo similar al estampido sónico auditivo.
Luego, los investigadores analizaron la distribución temporal de las partículas detectadas en los tanques para comprender los regímenes de energía en juego, deduciendo los orígenes de las partículas como rayos gamma de energía ultraalta.
Ubicación del sitio específico de PeVatron
HAWC El experimento del observatorio se ha basado en el innovador experimento Milagro, un observatorio de rayos gamma con un estanque de agua de 5 millones de galones y 700 detectores de luz en las montañas Jemez, en las afueras de Los Álamos. Milagro tomó datos hasta 2008, y luego los investigadores se trasladaron al sur, al observatorio HAWC, para poder capturar partículas más cercanas al centro galáctico.
El equipo de investigación planea ampliar sus hallazgos del observatorio HAWC y limitar el sitio específico de la fuente PeVatron con un nuevo experimento, el Observatorio de rayos gamma de campo amplio del sur, una instalación que se está construyendo en el desierto de Atacama en Chile. Con esa ventana más amplia hacia el centro de la Vía Láctea, la ciencia puede tener una visión más cercana del misterio en el corazón de nuestra galaxia.
Con información de The Astrophysical Journal Letters
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