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Los rayos cósmicos más energéticos son extragalácticos

Los rayos cósmicos más energéticos no proceden de la Vía Láctea, sino que han sido propulsados desde galaxias situadas a decenas o centenas de millones de años luz, ha comprobado el Observatorio Pierre Auger en Argentina. Se aclara un misterio que ha intrigado a los astrónomos durante 50 años.

Los rayos cósmicos más energéticos son extragalácticos

La colaboración científica internacional responsable del Observatorio Pierre Auger informa en un artículo en Science sobre una observación que demuestra que los rayos cósmicos de muy alta energía, un millón de veces superior a la de los protones acelerados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, son de origen extragláctico.

Desde que en los años sesenta se estableció la existencia de rayos cósmicos extremadamente energéticos se ha especulado sobre la posibilidad de que estas partículas se produzcan tanto en nuestra propia galaxia como en lugares mucho más lejanos.

La solución de este misterio llega ahora, más de medio siglo después, con la detección de partículas con una energía media de 2 julios en el Observatorio Pierre Auger en Argentina, al confirmar que la cantidad de partículas que llegan en una dirección, alejada 120 grados del centro de nuestra galaxia, es un 6% mayor que en la dirección opuesta.

En palabras del profesor Karl-Heinz-Kampert (Universidad de Wuppertal, Alemania), portavoz de la Colaboración Auger, que engloba a más de 400 científicos de 18 países (incluida España), “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”.

El profesor Alan Watson (Universidad de Leeds, Reino Unido), portavoz emérito, considera que este resultado “es uno de los más emocionantes que hemos obtenido, y que responde a una de las preguntas clave que se pretendía responder cuando fue concebido este Observatorio por Jim Cronin y por mí mismo hace más de 25 años”, según informa el citado Observatorio en un comunicado.

Avalanchas de electrones

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 = ~ 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.

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 Rhode Island.

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.

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.

Valiosísima información

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, la dirección del exceso observado es incompatible con fuentes localizadas en el plano o en el centro de la galaxia.

“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. 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. 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 Instituto Galego de Física de Altas Enerxías, en la Universidad de Santiago de Compostela, y que ha estado bajo su responsabilidad”, explica Enrique Zas, líder científico del Observatorio en España y miembro de este centro de investigación.

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.

Referencia

Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 × 1018 eV. Science  22 Sep 2017:Vol. 357, Issue 6357, pp. 1266-1270. DOI: 10.1126/science.aan4338

RedacciónT21

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