Más cerca de conocer el origen de los rayos cósmicos

Una nueva investigación publicada por astrofísicos de la Universidad de Michigan State podría ayudar a responder una pregunta centenaria: ¿De dónde provienen los rayos cósmicos galácticos?

Los rayos cósmicos (partículas de alta energía que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz) se originaron en algún lugar de la Vía Láctea y más allá, pero su origen exacto ha sido un misterio desde su descubrimiento en 1912. Shuo Zhang, profesora adjunta de física y astronomía de la MSU, y su grupo dirigieron dos estudios que arrojaron nueva luz sobre el posible origen de los rayos cósmicos. Los hallazgos, publicados recientemente, se presentaron en la 246.ª reunión de la American Astronomical Society en Anchorage, Alaska.

Las fuentes de estas partículas de alta energía y rápido movimiento podrían ser de la naturaleza de agujeros negros, remanentes de supernovas y regiones de formación estelar. Se sabe que estos eventos astrofísicos extremos también producen neutrinos: partículas diminutas, casi sin masa, que se encuentran en abundancia no solo en las profundidades del espacio, sino también en nuestro planeta.

"Los rayos cósmicos son mucho más relevantes para la vida en la Tierra de lo que se cree", afirmó Zhang en un comunicado. "Cerca de 100 billones de neutrinos cósmicos procedentes de fuentes muy lejanas, como agujeros negros, atraviesan nuestro cuerpo cada segundo. ¿No nos interesa saber de dónde provienen?".

Las fuentes de rayos cósmicos son tan potentes que pueden acelerar un protón o un electrón a energías mucho mayores que las que los humanos pueden alcanzar con el acelerador de partículas más avanzado. El grupo de Zhang estudia estos aceleradores de partículas cósmicas, conocidos como PeVatrones, para descubrir dónde están, qué son y cómo son capaces de acelerar partículas pequeñas a energías extremadamente altas. Comprender mejor su funcionamiento puede ayudar a desvelar cuestiones fundamentales de la física, como la evolución de las galaxias y la naturaleza de la materia oscura.

Los últimos artículos de su grupo exploran estudios de múltiples longitudes de onda de candidatos a PeVatrones cuyas fuentes permanecían desconocidas. En el primer artículo publicado en The Astrophysical Journal, Stephen DiKerby, estudiante postdoctoral del grupo de Zhang, investigó un misterioso candidato a PeVatrón descubierto por el Gran Observatorio de Lluvias de Aire a Gran Altitud (LHAASO), pero la naturaleza de la fuente aún se desconocía.

Utilizando datos de rayos X del telescopio espacial XMM-Newton, DiKerby descubrió una nebulosa de viento de púlsar: una burbuja en expansión con electrones relativistas y posiciones con inyección de energía de un púlsar. Este hallazgo estableció este PeVatrón como una fuente de rayos cósmicos de tipo nebulosa de viento de púlsar y es uno de los pocos casos en los que los científicos pueden identificar la naturaleza de los PeVatrones.

En el segundo artículo publicado en Research Notes of the AAS, tres estudiantes de pregrado de la MSU del grupo de Zhang -Ella Were, Amiri Walker y Shaan Karim- utilizaron el telescopio de rayos X Swift de la NASA para observar las emisiones de rayos X de las fuentes de rayos cósmicos LHAASO, poco exploradas. El equipo calculó los límites superiores de la emisión de rayos X, y su trabajo podría servir como guía para futuros estudios.

"Mediante la identificación y clasificación de las fuentes de rayos cósmicos, esperamos que nuestro esfuerzo proporcione un catálogo completo de fuentes de rayos cósmicos con clasificación", afirmó Zhang. "Esto podría servir como legado para futuros observatorios de neutrinos y telescopios tradicionales, que permitirán realizar estudios más profundos sobre los mecanismos de aceleración de partículas".

A continuación, el equipo de Zhang planea abordar otro estudio sobre fuentes de rayos cósmicos combinando los datos recopilados por el Observatorio de Neutrinos IceCube con los de telescopios de rayos X y rayos gamma. Quieren explorar por qué algunas fuentes de rayos cósmicos emiten neutrinos y otras no, así como dónde y cómo se producen.