Crédito de imagen: NASA
Los astrónomos creen que las explosiones de rayos gamma, las explosiones más poderosas del Universo, pueden estar generando rayos cósmicos de ultra alta energía, las partículas más energéticas del Universo. La evidencia reunida por el Observatorio de rayos gamma Compton desorbitado de la NASA mostró que en una instancia de una explosión de rayos gamma, estas partículas de alta energía dominaron el área dando una conexión entre ellas, pero esto no es suficiente evidencia para decir que están vinculadas de manera concluyente .
Las explosiones más poderosas del universo, los estallidos de rayos gamma, pueden generar las partículas más energéticas del universo, conocidas como rayos cósmicos de ultra alta energía (UHECR), según un nuevo análisis de observaciones del Observatorio de rayos gamma Compton de la NASA.
Los investigadores informan en la edición del 14 de agosto de Nature de un patrón recientemente identificado a la luz de estas explosiones enigmáticas que podrían explicarse por protones que se mueven dentro de la amplitud de la velocidad de la luz.
Estos protones, como la metralla de una explosión, podrían ser UHECR. Tales rayos cósmicos son raros y constituyen un misterio perdurable en la astrofísica, aparentemente desafiando la explicación física, ya que simplemente son demasiado enérgicos para haber sido generados por mecanismos bien conocidos como las explosiones de supernovas.
"Los rayos cósmicos" olvidan "de dónde provienen porque, a diferencia de la luz, los campos magnéticos los azotan en el espacio", dijo la autora principal, María Magdalena González, del Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México y estudiante graduada de la Universidad de Wisconsin. "Este resultado es una oportunidad emocionante para ver posiblemente la evidencia de que se producen en su origen".
Las explosiones de rayos gamma, un misterio que los científicos finalmente están comenzando a desentrañar, pueden brillar tan brillantemente como un millón de billones de soles, y muchos pueden ser de un tipo inusualmente poderoso de estrella en explosión. Las explosiones son comunes pero aleatorias y fugaces, duran solo unos segundos.
Los rayos cósmicos son partículas atómicas (por ejemplo, electrones, protones o neutrinos) que se mueven cerca de la velocidad de la luz. Los rayos cósmicos de baja energía bombardean la Tierra constantemente, propulsados por las erupciones solares y las típicas explosiones estelares. Los UHECR, con cada partícula atómica que transporta la energía de una pelota de béisbol lanzada en las Grandes Ligas, son cien millones de veces más energéticos que las partículas producidas en los aceleradores de partículas más grandes hechos por el hombre.
Los científicos dicen que los UHECR deben generarse relativamente cerca de la Tierra, ya que cualquier partícula que viaje más allá de los 100 millones de años luz perdería parte de su energía cuando llegara a nosotros. Sin embargo, ninguna fuente local de rayos cósmicos ordinarios parece lo suficientemente poderosa como para generar un UHECR.
El artículo dirigido por González no se enfoca específicamente en la producción de UHECR, sino más bien en un nuevo patrón de luz visto en una explosión de rayos gamma. Profundizando en los archivos del Observatorio Compton (la misión terminó en 2000), el grupo descubrió que una explosión de rayos gamma de 1994, llamada GRB941017, parece diferente de las otras 2.700 explosiones registradas por esta nave espacial. Esta explosión se ubicó en la dirección de la constelación de Sagitta, la Flecha, probablemente a diez mil millones de años luz de distancia.
Lo que los científicos llaman rayos gamma son fotones (partículas de luz) que cubren una amplia gama de energías, de hecho, más de un millón de veces más anchas que las energías que nuestros ojos registran como los colores de un arco iris. El grupo de González observó los fotones de rayos gamma de mayor energía. Los científicos descubrieron que este tipo de fotones dominaron la explosión: eran al menos tres veces más potentes en promedio que el componente de menor energía pero, sorprendentemente, miles de veces más potentes después de unos 100 segundos.
Es decir, mientras que el flujo de fotones de baja energía que golpea los detectores del satélite comenzó a disminuir, el flujo de fotones de mayor energía se mantuvo estable. El hallazgo es inconsistente con el popular "modelo de choque sincrotrón" que describe la mayoría de las explosiones. Entonces, ¿qué podría explicar este enriquecimiento de fotones de alta energía?
"Una explicación es que los rayos cósmicos de ultra alta energía son los responsables, pero exactamente cómo crean los rayos gamma con los patrones de energía que vimos necesita mucho cálculo", dijo la Dra. Brenda Dingus de LANL, coautora del artículo. "Mantendremos a algunos teóricos ocupados tratando de resolver esto".
Una inyección retrasada de electrones de ultra alta energía proporciona otra forma de explicar el flujo inesperadamente grande de rayos gamma de alta energía observado en GRB 941017. Pero esta explicación requeriría una revisión del modelo estándar de explosión, dijo el coautor Dr. Charles Dermer, astrofísico teórico en el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. en Washington. "En cualquier caso, este resultado revela un nuevo proceso que ocurre en los estallidos de rayos gamma", dijo.
No se han detectado explosiones de rayos gamma que se originan dentro de los 100 millones de años luz de la Tierra, pero a lo largo de los eones, este tipo de explosiones pueden haber ocurrido localmente. De ser así, dijo Dingus, el mecanismo que su grupo vio en GRB 941017 podría haberse duplicado cerca de casa, lo suficientemente cerca como para suministrar los UHECR que vemos hoy.
Otras explosiones en el archivo del Observatorio Compton pueden haber exhibido un patrón similar, pero los datos no son concluyentes. El Telescopio Espacial de Área Grande de Rayos Gamma de la NASA (GLAST), programado para su lanzamiento en 2006, tendrá detectores lo suficientemente potentes como para resolver fotones de rayos gamma de mayor energía y resolver este misterio.
Los coautores del informe Nature también incluyen Ph.D. estudiante graduado Yuki Kaneko, Dr. Robert Preece y Dr. Michael Briggs de la Universidad de Alabama en Huntsville. Esta investigación fue financiada por la NASA y la Oficina de Investigación Naval.
Los UHECR se observan cuando chocan contra nuestra atmósfera, como se ilustra en la figura. La energía de la colisión produce una lluvia de miles de millones de partículas subatómicas y destellos de luz ultravioleta, que son detectados por instrumentos especiales.
La National Science Foundation y sus colaboradores internacionales han patrocinado instrumentos en el terreno, como el Fly's Eye de alta resolución en Utah (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) y el Observatorio Auger en Argentina (http: / /www.auger.org/). Además, la NASA está trabajando con la Agencia Espacial Europea para colocar el Observatorio Espacial del Universo Extremo (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) en la Estación Espacial Internacional. La misión OWL propuesta, desde la órbita, miraría hacia abajo hacia las duchas de aire, viendo una región tan grande como Texas.
Estos científicos registran los destellos y realizan un censo de la metralla subatómica, trabajando hacia atrás para calcular cuánta energía necesita una sola partícula para formar la cascada atmosférica. Llegan a una sorprendente cifra de 10 ^ 20 electrón voltios (eV) o más. (En comparación, la energía en una partícula de luz amarilla es de 2 eV, y los electrones en su tubo de televisión están en el rango de energía de mil electrones voltios).
Estas partículas de ultra alta energía experimentan los extraños efectos predichos por la teoría de la relatividad especial de Einstein. Si pudiéramos observarlos venir desde un rincón remoto del cosmos, digamos a cien millones de años luz de distancia, tendríamos que ser pacientes; tomará cien millones de años completar el viaje. Sin embargo, si pudiéramos viajar con las partículas, el viaje termina en menos de un día debido a la dilatación del tiempo de los objetos que se mueven rápidamente según lo medido por un observador.
Los rayos cósmicos de mayor energía ni siquiera pueden alcanzarnos si se producen a partir de fuentes distantes, porque chocan y pierden energía con los fotones cósmicos de microondas que quedan del big bang. Las fuentes de estos rayos cósmicos deben encontrarse relativamente cerca de nosotros, a una distancia de varios cientos de millones de años luz. Las estrellas que explotan como estallidos de rayos gamma se encuentran dentro de esta distancia, por lo que se están realizando intensos esfuerzos de observación para encontrar restos de estallidos de rayos gamma que se distinguen por los halos de radiación producidos por los rayos cósmicos.
Pocos tipos de objetos celestes poseen las condiciones extremas necesarias para hacer explotar partículas a velocidades UHECR. Si los estallidos de rayos gamma producen UHECR, probablemente lo hagan acelerando las partículas en chorros de materia expulsadas de la explosión a una velocidad cercana a la de la luz. Las explosiones de rayos gamma tienen el poder de acelerar los UHECR, pero las explosiones de rayos gamma observadas hasta ahora han sido remotas, a miles de millones de años luz de distancia. Esto no significa que no puedan ocurrir cerca, dentro de la distancia de corte UHECR.
Un contendiente líder para los tipos de ráfagas de rayos gamma de larga duración como GRB941017 es el modelo de supernova / colapsar. Las supernovas ocurren cuando una estrella muchas veces más masiva que el Sol agota su combustible, haciendo que su núcleo se colapse bajo su propia gravedad, mientras que sus capas externas se desprenden en una inmensa explosión termonuclear. Los colapsares son un tipo especial de supernova donde el núcleo es tan masivo que se derrumba en un agujero negro, un objeto tan denso que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su gravedad dentro del horizonte de eventos del agujero negro. Sin embargo, las observaciones indican que los agujeros negros son comedores descuidados, expulsando material que pasa cerca, pero no cruza, sus horizontes de eventos.
En un colapso, el núcleo de la estrella forma un disco de material alrededor del agujero negro recién formado, como el agua que gira alrededor de un drenaje. El agujero negro consume la mayor parte del disco, pero parte de la materia es expulsada en chorros desde los polos del agujero negro. Los chorros atraviesan la estrella que se derrumba cerca de la velocidad de la luz, y luego atraviesan el gas que rodea a la estrella condenada. A medida que los chorros chocan contra el medio interestelar, crean ondas de choque y disminuyen la velocidad. Los choques internos también se forman en los chorros a medida que sus bordes de ataque se ralentizan y son golpeados desde atrás por una corriente de materia de alta velocidad. Los choques aceleran las partículas que generan rayos gamma; También podrían acelerar las partículas a velocidades UHECR, según el equipo.
"Es como hacer rebotar una pelota de ping pong entre una pala y una mesa", dijo Dingus. “Al acercar la pala a la mesa, la pelota rebota más y más rápido. En una explosión de rayos gamma, la paleta y la mesa son proyectiles expulsados en el chorro. Los campos magnéticos turbulentos obligan a las partículas a rebotar entre los caparazones, acelerándolos a casi la velocidad de la luz antes de que se liberen como UHECR ".
La detección de neutrinos de los estallidos de rayos gamma resolvería el caso de la aceleración de los rayos cósmicos por estallidos de rayos gamma. Los neutrinos son partículas escurridizas que se forman cuando los protones de alta energía colisionan con los fotones. Los neutrinos no tienen carga eléctrica, por lo que aún apuntan a la dirección de su fuente.
La National Science Foundation está actualmente construyendo IceCube (http://icecube.wisc.edu/), un detector de kilómetros cúbicos ubicado en el hielo debajo del Polo Sur, para buscar la emisión de neutrinos de los estallidos de rayos gamma. Sin embargo, las características de los aceleradores de partículas de más alta energía de la naturaleza siguen siendo un misterio perdurable, aunque la aceleración de las estrellas en explosión que producen explosiones de rayos gamma ha sido favorable desde que Mario Vietri (Universita di Roma) y Eli Waxman (Instituto Weizmann) lo propusieron. en 1995.
El equipo cree que mientras otras explicaciones son posibles para esta observación, el resultado es consistente con la aceleración UHECR en ráfagas de rayos gamma. Vieron rayos gamma de baja y alta energía en la explosión GRB941017. Los rayos gamma de baja energía son lo que los científicos esperan de que los electrones de alta velocidad sean desviados por campos magnéticos intensos, mientras que los rayos de alta energía son lo que se espera si algunos de los UHECR producidos en la explosión chocan contra otros fotones, creando una lluvia de partículas. , algunos de los cuales parpadean para producir los rayos gamma de alta energía cuando se descomponen.
El momento de la emisión de rayos gamma también es significativo. Los rayos gamma de baja energía se desvanecieron relativamente rápido, mientras que los rayos gamma de alta energía persistieron. Esto tiene sentido si dos clases diferentes de partículas (electrones y protones de los UHECR) son responsables de los diferentes rayos gamma. "Es mucho más fácil para los electrones que los protones irradiar su energía. Por lo tanto, la emisión de rayos gamma de baja energía de los electrones sería más corta que los rayos gamma de alta energía de los protones ”, dijo Dingus.
El Observatorio de rayos gamma Compton fue el segundo de los Grandes Observatorios de la NASA y el equivalente de rayos gamma del Telescopio Espacial Hubble y el Observatorio de rayos X Chandra. Compton se lanzó a bordo del Transbordador Espacial Atlantis en abril de 1991, y con 17 toneladas, fue la mayor carga útil astrofísica que se haya volado en ese momento. Al final de su misión pionera, Compton fue desorbitado y volvió a entrar en la atmósfera de la Tierra el 4 de junio de 2000.
Fuente original: Comunicado de prensa de la NASA
