Los resultados históricos publicados el 16 de noviembre por el Observatorio de Grandes Lluvias Atmosféricas de Gran Altitud (LHAASO) han resuelto un misterio de décadas sobre el espectro energético de los rayos cósmicos: una marcada disminución en los rayos cósmicos por encima de los 3 PeV, que les confiere una inusual forma de rodilla.
La causa de esta forma de rodilla permaneció sin esclarecer desde su descubrimiento hace casi 70 años. Los científicos especularon que estaba relacionada con el límite de aceleración de las fuentes astrofísicas de rayos cósmicos y que reflejaba la transición del espectro energético de los rayos cósmicos de una distribución de ley de potencia a otra.
Ahora bien, dos estudios recientes —publicados en National Science Review y Science Bulletin, respectivamente— demuestran que los microcuásares impulsados por la acreción de sistemas de agujeros negros son potentes aceleradores de partículas en la Vía Láctea y son la fuente probable de esta forma de rodilla. Estos estudios también amplían nuestra comprensión de los procesos físicos extremos de los sistemas de agujeros negros.
La investigación fue realizada por investigadores del Instituto de Física de Altas Energías de la Academia China de Ciencias (CAS), la Universidad de Nanjing, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China de la CAS, la Universidad La Sapienza de Roma y otras instituciones.
Microcuásares identificados como aceleradores cósmicos
Los agujeros negros, uno de los objetos más enigmáticos del universo, generan chorros relativistas al acrecer material de estrellas compañeras en sistemas binarios, formando «microcuásares». En este estudio, LHAASO detectó sistemáticamente por primera vez rayos gamma de ultra alta energía provenientes de cinco microcuásares: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 y Cygnus X-1.
En particular, se descubrió que la radiación de ultra alta energía de SS 433 se superponía con una nube atómica gigante, lo que sugiere fuertemente que los protones de alta energía son acelerados por el agujero negro y colisionan con la materia circundante.
La energía de los protones en este sistema superó 1 PeV, con una potencia total de aproximadamente 1032 julios por segundo, equivalente a la energía liberada por segundo por cuatro billones de las bombas de hidrógeno más potentes. Se descubrió que la energía de los rayos gamma de V4641 Sgr alcanzó los 0,8 PeV, convirtiéndolo en otro «superacelerador de partículas PeV», mientras que las partículas precursoras que generaron estos rayos gamma tenían energías superiores a 10 PeV.
Estos resultados demuestran que los microcuásares son importantes aceleradores de partículas PeV en la Vía Láctea, lo que resuelve un problema de larga data en la ciencia: si bien los remanentes de supernovas se reconocieron históricamente como fuentes de rayos cósmicos, tanto estudios observacionales como teóricos han demostrado que no pueden acelerar los rayos cósmicos a energías superiores a la del «rodilla» ni más allá.
Desafíos en la medición de espectros de rayos cósmicos
Para comprender plenamente este fenómeno, es esencial realizar mediciones precisas de los espectros de energía de las diversas especies de rayos cósmicos, incluyendo sus respectivas regiones de máxima emisión. El primer paso consiste en medir el espectro de energía de los núcleos más ligeros: los protones. Sin embargo, los rayos cósmicos en la región de máxima emisión son escasos y los detectores satelitales tienen una sensibilidad limitada, lo que hace que su detección sea como buscar una aguja en un pajar.
En las mediciones indirectas de partículas de rayos cósmicos desde tierra, es imposible evitar la interferencia atmosférica. Esto dificulta la distinción entre protones y otros núcleos. Durante mucho tiempo, esta medición se consideró imposible.
En este estudio, aprovechando su equipo de observación de rayos cósmicos terrestre de vanguardia, LHAASO desarrolló técnicas de medición multiparamétricas y seleccionó una amplia muestra estadística de protones de alta pureza, lo que permitió la medición precisa de su espectro de energía, con una precisión comparable a la de los experimentos satelitales. Esta medición reveló una estructura espectral de energía totalmente inesperada, mostrando claramente un nuevo componente de alta energía en lugar de una simple transición entre espectros de ley de potencia.
Múltiples aceleradores dan forma al origen de los rayos cósmicos.
Los nuevos hallazgos de LHAASO, junto con el componente de baja energía medido por el experimento espacial AMS-02 y el componente de energía intermedia medido por el experimento espacial DAMPE (Explorador de Partículas de Materia Oscura), revelaron la existencia de múltiples aceleradores dentro de la Vía Láctea, cada uno con su propia capacidad de aceleración y rango de energía únicos. El «codo» representa el límite de aceleración de las fuentes responsables de generar el componente de alta energía.
La compleja estructura del espectro energético de los protones indica que los protones de los rayos cósmicos en el rango de energía de PeV se originan principalmente en «fuentes nuevas», como los microcuásares, que tienen un límite de aceleración significativamente mayor que el de los remanentes de supernova. Esto les permite generar rayos cósmicos de alta energía que superan el «codo».
Descubrimientos vinculan agujeros negros con rayos cósmicos
Estos dos hallazgos se complementan, ofreciendo una visión científica integral. Esto no solo representa un avance significativo en la resolución del antiguo misterio del origen de la estructura en forma de rodilla, sino que también proporciona evidencia observacional crucial para comprender el papel de los agujeros negros en el origen de los rayos cósmicos.
El diseño híbrido del detector LHAASO permite la detección de fuentes de rayos cósmicos mediante rayos gamma de ultra alta energía, a la vez que posibilita la medición precisa de partículas de rayos cósmicos en las cercanías del sistema solar. Este enfoque ofrece información sobre la capacidad de aceleración de las fuentes a energías de PeV y las características espectrales que aportan a los rayos cósmicos. Por primera vez, la estructura en forma de rodilla se ha vinculado observacionalmente con un tipo específico de fuente astrofísica: el sistema de chorros de agujeros negros.
LHAASO, diseñado, construido y operado por científicos chinos, se ha posicionado a la vanguardia en la investigación de rayos cósmicos de alta energía gracias a su sensibilidad tanto en la exploración astronómica de rayos gamma como en la medición precisa de rayos cósmicos. Ha logrado una serie de descubrimientos con impacto global, contribuyendo así a nuestro conocimiento de los procesos físicos extremos del universo.
Con información de Science
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