Los rayos cósmicos de muy alta energía vienen de fuera de la Vía Láctea

La colaboración científica internacional del Observatorio Pierre Auger, en Argentina, ha detectado que los rayos cósmicos de muy alta energía que llegan a la Tierra proceden de fuera de nuestra galaxia. El descubrimiento resuelve un misterio astronómico de hace más de medio siglo, pero no desvela las fuentes que originan estas energéticas partículas.

Representación artística de una lluvia de rayos cósmicos con un detector Cherenkov de agua del Observatorio Pierre Auger en el oeste de Argentina. / A. Chantelauze, S. Saffi, L. Bret, Observatorio Pierre Auger

Desde que en los años sesenta se comprobó la existencia de rayos cósmicos extremadamente energéticos se ha especulado mucho sobre si estas partículas proceden tanto de nuestra propia galaxia como de lugares mucho más lejanos. Ahora, el grupo de más de 400 científicos de 18 países que conforman la colaboración del Observatorio Pierre Auger revela por primera vez que los rayos cósmicos de muy alta energía que llegan a la Tierra se originan fuera de la Vía Láctea, según publican en Science.

Tras 12 años de recogida de datos, el origen extragaláctico de este tipo de rayos ha sido posible gracias a la detección de partículas con una energía media de 2 julios en el Observatorio Pierre Auger, localizado en Argentina, y de una asimetría en su distribución: la cantidad que llegan en una dirección (alejada 120 grados del centro de nuestra galaxia) es un 6% mayor que en la dirección opuesta.

Karl-Heinz-Kampert, profesor de la Universidad de Wuppertal (Alemania) y portavoz de la Colaboración Auger, destaca la importancia del hallazgo: “Ahora estamos considerablemente más cerca de resolver el misterio de dónde y cómo se crean estas partículas de energías extraordinarias, una pregunta de enorme interés para la astrofísica. Nuestras observaciones representan una evidencia contundente de que los lugares en los que se aceleran están más allá de la Vía Láctea”.

"Ha habido otras evidencias, pero yo diría que este artículo realmente confirma que la mayoría de las partículas de rayos cósmicos de mayor energía no vienen de nuestra galaxia", subraya Gregory Snow, profesor de física de la Universidad de Nebraska-Lincoln y participante en el proyecto.

Por su parte, el profesor Alan Watson de la Universidad de Leeds (Reino Unido), portavoz emérito, considera que este resultado “es uno de los más emocionantes que hemos obtenido, y responde a una de las preguntas clave que se pretendía responder cuando fue concebido el observatorio por Jim Cronin y por mí mismo hace más de 25 años”.

Los rayos cósmicos son núcleos atómicos de diferentes elementos, desde los más ligeros como el hidrógeno, con sólo un protón, hasta los más pesados como el hierro. A energías elevadas, superiores a 2 julios (1 julio equivale aproximadamente a 6 x 1018 electronvoltios), su ritmo de llegada a la Tierra decrece tanto que atraviesan una superficie equivalente a un campo de fútbol con una frecuencia promedio de una vez por siglo.

Lluvias de millones de partículas

Aun así, siendo tan poco frecuentes estos rayos cósmicos se detectan porque, en interacciones sucesivas con los núcleos de la atmósfera, producen avalanchas o ‘lluvias’ de múltiples electrones, fotones y muones que surcan la atmósfera prácticamente a la velocidad de la luz, agrupados en forma de disco, como un plato llano de varios kilómetros de diámetro.

Estas ‘lluvias’, que contienen más de diez mil millones de partículas, se detectan porque producen una onda de choque de luz en el agua (luz Cherenkov) al atravesar algunos de los 1.600 detectores del Observatorio Auger, cada uno con 12 toneladas de agua, que están esparcidos en 3.000 kilómetros cuadrados al oeste de Argentina, en una superficie comparable con la isla de Mallorca. Los tiempos de llegada de estas partículas en los detectores, medidos con receptores GPS, se usan para establecer la dirección de llegada del rayo cósmico con una precisión mejor que 1 grado.

Detector Cherenkov de agua del Observatorio Auger en la Pampa Amarilla, al oeste de Argentina, e ilustración de la luz Chernekov producida por la lluvia de partículas del aire y detectada por tres tubos fotomultiplicadores que observan el volumen de agua. / The Pierre Auger Observatory

Estudiando la distribución de las direcciones de llegada de más de 30.000 partículas cósmicas, la Colaboración Auger ha descubierto un exceso con una significación estadística de 5,2 desviaciones estándar (que en el lenguaje científico implica que hay solo una probabilidad entre 10 millones de que el resultado sea fruto de la casualidad), en una dirección en la que la distribución de galaxias es relativamente alta.

Aunque este descubrimiento apunta claramente al origen extragaláctico de estas partículas, todavía no pueden ser nítidamente especificadas las fuentes que las producen.

"Las partículas que hemos detectado son tan enérgicas (un millón de veces más que los protones acelerados en el gran colisionador LHC),que tienen que provenir de fenómenos astrofísicos extremadamente violentos”, considera Snow, y especula: ”Algunas galaxias tienen un agujero negro explosivo y masivo en sus centros y hay teorías de que estos centros muy violentos aceleran partículas de muy alta energía que eventualmente alcanzan nuestro planeta".

La dirección del exceso apunta a una amplia región del cielo más que a objetos específicos, ya que incluso partículas tan energéticas como estas se desvían decenas de grados en los campos magnéticos de nuestra galaxia. A pesar de ello, para cualquier configuración realista del campo magnético galáctico, esa dirección del exceso observado es incompatible con fuentes localizadas en el plano o en el centro de la galaxia.

Snow también destaca el papel de los rayos cósmicos como pistas de la estructura del universo: "Al comprender los orígenes de estas partículas, esperamos entender más sobre el inicio del universo, el Big Bang, cómo se formaron las galaxias, los agujeros negros, etc., algunas de las preguntas más importantes en astrofísica".

Participación española en el descubrimiento

“Se trata de un descubrimiento que demuestra que las direcciones de los rayos cósmicos más energéticos poseen valiosísima información, poniendo de relieve la importancia del proyecto de mejora del observatorio (AugerPrime), todavía en construcción, para poder extraerla con mayor eficacia”, dice Enrique Zas, líder científico del Observatorio en España y miembro del Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) en la Universidad de Santiago de Compostela.

“El avance ha sido posible gracias al amplio campo de visión del observatorio, que, a pesar de estar en el hemisferio Sur, mide con precisión rayos cósmicos que proceden de gran parte del hemisferio Norte –añade–. Esto ha sido posible gracias a que se ha conseguido analizar los rayos cósmicos que inciden con una inclinación entre 60 y 80 grados con la vertical, algo que fue propuesto por el grupo del IGFAE, y que ha estado bajo su responsabilidad".

Existen rayos cósmicos con energías todavía mayores que los que se han utilizado en este trabajo, con una energía cinética más propia de una pelota de tenis bien golpeada por Rafa Nadal que de una partícula subatómica. Como se espera que las desviaciones de estas partículas sean inferiores, las direcciones de llegada deberían apuntar mejor a los lugares donde se crearon. Estos rayos cósmicos, que son todavía menos frecuentes, son objeto de intensos estudios con el objetivo de determinar cuáles son los objetos extraglácticos capaces de producirlos.

“Conocer mejor la naturaleza de estas partículas será de gran ayuda para poder realizar dicha identificación. Existen planes de trabajo para llevar a cabo este objetivo gracias al programa de mejora del Observatorio Pierre Auger que se espera completar en 2018”, indica Antonio Bueno, profesor de la Universidad de Granada y coportavoz del Observatorio.

Usando los tiempos de llegada de las partículas a los detectores de superficie del Observatorio Auger, el grupo de Granada ha obtenido una primera evidencia experimental de que, a las energías más extremas, el flujo parece contener partículas ligeras (protones). Esta información ayudará a mejorar los detectores e incrementar las posibilidades de resolver en un futuro próximo el misterio del origen de las partículas más energéticas jamás detectadas en el universo.

“Los rayos cósmicos son pistas de la estructura del universo", subraya por su parte Snow, que concluye: "Al comprender los orígenes de estas partículas, esperamos entender más sobre el inicio del universo, el Big Bang, cómo se formaron las galaxias, los agujeros negros, etc., algunas de las preguntas más importantes en astrofísica".



Referencia bibliográfica:

The Pierre Auger Collaboration.“Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 × 1018 eV". Science, 21 de septiembre 2017.

Fuente: CPAN