Descubren que los rayos cósmicos podrían proceder de nuestra propia galaxia

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La ilustración muestra la región central de nuestra galaxia, bombardeada por protones de alta energía- Dr Mark A. Garlick/ H.E.S.S. Collabotation.

Durante más de diez años, el observatorio H.E.S.S. instalado en Namibia y operado por una colaboración internacional de 42 instituciones de doce países diferentes, ha estado observando el centro de nuestra galaxia en el rango de los rayos gamma de alta energía para buscar rayos cósmicos que eventualmente pudieran haber nacido en la zona más interna de la Vía Láctea. Y resulta que el análisis de los últimos datos del H.E.S.S., que se acaban de publicar en Nature, revelan por primera vez una fuente de este tipo de radiación cósmica a unos niveles de energía que nunca se habían observado antes dentro de nuestra “isla” espacial. El gran agujero negro central de la Vía Láctea, en efecto, parece estar acelerando rayos cósmicos hasta energías cien veces superiores a las conseguidas en el LHC, el mayor acelerador de partículas que existe sobre la Tierra, y ser, por lo tanto, el responsable de la misteriosa radiación cósmica que bombardea nuestro planeta.

Nuestro mundo está sometido al impacto constante de partículas de alta energía (protones, electrones y núcleos atómicos) de origen cósmico, es decir, procedentes de más allá del Sol. Juntas, estas partículas forman lo que conocemos como “radiación cósmica”, y hasta ahora los investigadores han rastreado (en vano) su origen hasta los mismísimos confines del Universo conocido. Eran muy pocos los que sospechaban que la solución del misterio podría estar, en realidad, más cerca de casa de lo que nadie había imaginado.

Los “rayos cósmicos” tienen carga eléctrica y son, por tanto, fuertemente desviados por los campos magnéticos interestelares que impregnan nuestra galaxia. Sus trayectorias a través del Universo parecen ser fruto del azar debido a esos desvíos constantes, y esa es la razón por la que resulta prácticamente imposible la identificación directa de las fuentes que los producen. Por lo tanto, y después de más de un siglo de investigación, el origen de los rayos cósmicos sigue siendo, en la actualidad, uno de los mayores misterios de la Ciencia.

Por fortuna, los rayos cósmicos interactúan directamente con la luz y el gas que se encuentra en los alrededores del lugar desde el que surgieron, y esa interacción produce rayos gamma. Los rayos gamma viajan a través del espacio en línea recta, y no son desviados por los campos magnéticos que encuentran por el camino, por lo que es posible rastrear su procedencia. Cuando un rayo gamma de alta energía alcanza la Tierra, interactúa con una molécula en las capas más altas de la atmósfera, produciendo una cascada de partículas secundarias que emiten un pulso de muy corta duración llamado “radiación Cherenkov”. Gracias a estos pequeños “flashes” de luz, que los astrónomos detectan con telescopios equipados con grandes espejos y detectores ultrasensibles de fotones, durante las últimas tres décadas se han podido identificar más de cien fuentes de raayos gamma de alta energía. Pero el observatorio H-E.S.S., instalado en Namibia, pertenece a la última generación de eta clase de telescopios y ha podido aportar una solución inesperada.

En la actualidad, los científicos saben que rayos cósmicos con energías de aproximadamente 100 TeV (teraelectronvoltios) pueden generarse dentro de nuestra propia galaxia a partir de objetos extremos como restos de supernovas o púlsares. Los argumentos teóricos y las mediciones directas de los rayos cósmicos que alcanzan la Tierra llevados a cabo con el H.E.S.S. indican, sin embargo, que las “fábricas” de rayos cósmicos de la Vía Láctea podrían ser capaces de proporcional a las partículas energías de, por lo menos, un Pev (petaelectronvoltio), lo que podría generar rayos cósmicos hasta mil veces más potentes de lo que se creía hasta ahora. Ninguna observación, sin embargo, había sido capaz, hasta ahora, de encontrar rayos cósmicos de nuestra galaxia en ese rango energético tan elevado.

Pero eso ha cambiado con el H.E.S.S. De hecho, las observaciones llevadas a cabo con este instrumento durante los últimos diez años, y publicadas ahora en Nature, han conseguido, por fin, obtener pruebas directas de la existencia de rayos cósmicos “locales”<. Durante los primeros tres años, H.E.S.S. descubrió una poderosa fuente de rayos gamma en la región central de nuestra galaxia, así como una emisión muy difusa de radiación gamma procedente de las gigantescas nubes moleculares que rodean el núcleo galáctico y que se extienden, aproximadamente, hasta una distancia de 500 años luz del centro. Esas nubes moleculares son bombardeadas continuamente por rayos cósmicos que viajan casi a la velocidad de la luz, y la interacción de los rayos cósmicos con el material del que están hechas las nubes produce, a su vez, rayos gamma. La coincidencia espacial entre esos rayos gamma y las zonas más densas de la nube indican la presencia de uno o varios “aceleradores de rayos cósmicos” en esa zona, aunque su naturaleza sigue siendo un misterio.

Las observaciones obtenidas entre 2004 y 2013 han arrojado, sin embargo, nueva luz sobre los procesos que aportan su energía a los rayos cósmicos de esa región. Según Aion Viana, uno de los autores del artículo de Nature, “una cantidad de datos sin precedentes junto a los avances en las metodologías de análisis nos ha permitido medir al mismo tiempo la distribución espacial y la energía de los rayos cósmicos”. De esta forma, los investigadores han conseguido, por primera vez, localizar la fuente de esas partículas. En palabras de Emmanuel Moulin, otro de los integrantes del equipo, “En algún lugar de una zona del centro de la Vía Láctea de 33 años luz de diámetro hay una fuente capaz de acelerar protones hasta energías del orden de un petaelectronvoltio. Y de hacerlo continuamente desde hace por lo menos mil años”.

El centro de nuestra galaxia alberga muchos objetos capaces de producir rayos cósmicos de alta energía, en particular los restos de antiguas supernovas, los púlsares o los cúmulos masivos de estrellas. Sin embargo, Sagitario A*, el agujero negro supermasivo que se encuentra en el centro de la galaxia, es la fuente más plausible de los protones PeV. Según el investigador Felix Aharonian, “hemos considerado varias posibles regiones de aceleración, tanto en la inmediata vecindad del agujero negro como más lejos de él, donde una fracción del material que lo rodea y que cae hacia el agujero negro es violentamente expulsada por él, iniciando el proceso de aceleración de las partículas”.

En resumen, los datos del H.E.S.S. revelan que Sagitario A* es muy capaz de acelerar protones a energías de un petaelectronvoltio. Esos protones, sin embargo, no pueden explicar la totalidad del flujo de rayos cósmicos que se detectan desde la Tierra. Pero según Aharonian, “si, sin embargo, nuestro agujero negro central fue más activo en el pasado de lo que es hoy, entonces sí que podría ser responsable de todo el paquete de rayos cósmicos que se observan en la actualidad desde nuestro planeta”. Si se demuestra que eso fue así, estaríamos, probablemente, ante el fin de un misterio y de más de cien años de debate científico sobre el origen de estas enigmáticas partículas.

Fuente

Acerca de A. Arrieta

Físico egresado de la Universidad de Córdoba con sede en la Ciudad de Montería. Magister en Física de la Universidad Nacional de Colombia con sede en la ciudad de Medellín. Docente del Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM) y docente adscrito a la Secretaría de Educación de Medellín. "Amarrar el conocimiento no te hace más sabio, en cambio compartirlo te hace más útil a la sociedad, trascender y no morir para siempre"
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