Identifican fuentes de rayos cósmicos de alta energía
Son 10 veces mayores que la máxima energía alcanzada en la Tierra con el acelerador de partículas del Gran Colisionador de Hadrones
Investigadores de la colaboración internacional entre México, Estados Unidos y Europa que han construido el observatorio HAWC, en Puebla, identificaron varias fuentes galácticas de rayos gamma de súper altas energías.
Éstas son 10 veces mayores que la máxima energía alcanzada en la Tierra con el acelerador de partículas del Gran Colisionador de Hadrones, en Suiza.
En el HAWC participan 26 instituciones, académicos de los institutos de Física y Astronomía de la UNAM, así como expertos del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE).
El observatorio HAWC de rayos gamma (High-Altitude Water Cherenkov) situado en el Volcán Sierra Negra, Puebla, ha revelado un catálogo de nueve regiones del universo que emiten rayos gamma de altísima energía, lo que las hace las fuentes más energéticas que han sido vistas en nuestra galaxia. Éstas generan rayos gamma de más de 56 trillones de electrón volts (TeV) y en tres de ellas sobrepasan los 100 TeV.
El catálogo, recién publicado en la revista Physical Review Letters, identifica por primera vez que estas regiones, en las que se aceleran partículas de rayos cósmicos, están ubicadas alrededor de pulsares extremadamente energéticos.
Esos pulsares son estrellas de neutrones altamente magnetizadas que giran muy rápidamente y son creadas cuando una estrella normal muere en una explosión de supernova. “Es asombroso que estas nueve fuentes de rayos gamma ultra energéticos coinciden con pulsares, la mayoría a distancias de unos seis mil años luz de nosotros. Observamos que los rayos gamma no son producidos en las inmediaciones del pulsar sino en regiones extendidas que llegan a tener de 10 a 70 años luz”, dijo Andrés Sandoval, quien es investigador del Instituto de Física (IF) y portavoz de la colaboración HAWC.
Un pulsar es una estrella de neutrones altamente magnetizada que gira muy rápidamente, algunos hasta miles de veces por segundo. Los campos eléctricos y magnéticos que están en sus cercanías crean y aceleran partículas que transfieren energía a regiones muy alejadas de él. Por mecanismos aún no muy claramente establecidos a grandes distancias, se pueden acelerar electrones o protones y rayos cósmicos a energías de PeVs que al interaccionar generan los rayos gamma observados por HAWC.
En busca de su origen
La Tierra está continuamente bañada por rayos cósmicos y aunque fueron descubiertos por Víctor Hess hace cien años, aún no se tiene claro cuáles son las fuentes y los mecanismos que los producen.
Lo anterior se debe a que los rayos cósmicos son partículas cargadas y los campos magnéticos interestelares cambian su dirección, lo que impide identificar las fuentes que los generan. Sin embargo, los rayos gamma de alta energía sí permiten ubicarlas por su composición.
Los rayos gamma de alta energía son producidos por interacciones de rayos cósmicos de aún más alta energía con partículas del medio en el que son acelerados.
Cuando los protones y núcleos que constituyen los rayos cósmicos chocan con átomos del medio generan reacciones nucleares que, al decaer, emiten rayos gamma y neutrinos entre otras partículas. Pero hay otro mecanismo que produce rayos gamma de altas energías; si lo que se acelera son electrones estos pueden interaccionar con luz de baja energía transfiriéndole la mayor parte de su energía en un proceso llamado dispersión de Compton inverso. Así un fotón de baja energía se transforma en un rayo gamma.
La ventaja de los rayos gamma es que siendo neutrales por no tener carga eléctrica viajan en línea recta hasta la Tierra y señalan a las fuentes donde son producidos.
Espectros de la energía de los rayos gamma emitidos por las fuentes más energéticas descubiertas hasta ahora, detectados por el observatorio HAWC.
El poder de observación de HAWC
“El descubrimiento de estas regiones en las que se pueden encontrar ‘PeVatrones’, aceleradores de partículas a energías de mil trillones de electrón volts (PeV), muestra la capacidad de HAWC al ser el observatorio que detecta las más altas energías en el mundo”, afirmó Magdalena González, investigadora del Instituto de Astronomía (IA) y colaboradora del proyecto. “Continuaremos observando el firmamento día y noche por los siguientes años para descubrir nuevos fenómenos en nuestro universo”, añadió.
“El haber encontrado con HAWC estas regiones de producción de rayos gamma ultra energéticos nos permite ahora colaborar con otros observatorios para estudiar estas fuentes con fotones de otras energías: en radio, rayos X y rayos gamma de menor energía y con otras partículas como neutrinos que está detectando el observatorio IceCube desde la Antártica”, comentó Alberto Carramiñana, investigador del INAOE y coordinador científico del HAWC.
Las futuras colaboraciones podrían contribuir a resolver el misterio y discernir si el origen de los rayos gamma es consecuencia de interacciones de protones o de electrones. De ser producidos por protones significaría que finalmente se han identificado regiones en las que rayos cósmicos son acelerados, cerrando el capítulo que comenzó con su descubrimiento por Víctor Hess hace cien años.
Observatorio HAWC de rayos gamma, que consiste en un arreglo de 300 grandes detectores de Cherenkov.
Características del Observatorio HAWC
El observatorio HAWC de rayos gamma consiste en un arreglo de 300 grandes detectores de Cherenkov cubriendo un área de 20 mil metros cuadrados en las faldas del Volcán Sierra Negra a cuatro mil 100 metros de altitud, junto al Pico de Orizaba, en Puebla.
Los rayos gamma interaccionan con átomos a decenas de kilómetros de altura, produciendo una cascada de partículas que se propaga por la atmósfera a la velocidad de la luz.
Cuando las partículas llegan a los grandes contenedores de agua de HAWC producen destellos de luz por el efecto Cherenkov que son detectados por el experimento. Almacenando 25 mil eventos por segundo día y noche, HAWC cubre dos tercios de la bóveda celeste y ha estado en operación desde hace cinco años.
(Con información de Gaceta UNAM)
