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Diez años de observaciones con un sistema de cinco telescopios en Namibia han permitido detectar electrones y positrones cósmicos con una energía sin precedentes de más de 10 teraelectronvoltios.
Dado que las partículas cargadas son desviadas en todas direcciones por los campos magnéticos en nuestro entorno cósmico, es difícil determinar su origen. Sin embargo, esta vez el espectro de energía de las partículas medidas hasta los valores de energía más altos abre nuevas posibilidades: los científicos sospechan que un púlsar, que puede estar a no más de unos pocos miles de años luz de distancia, podría ser la fuente, informa la Max Planck Society, que participó en la investigación.
El universo alberga entornos extremos, desde las temperaturas más frías hasta las fuentes más energéticas. Los objetos extremos como los restos de supernovas, los púlsares o los núcleos galácticos activos producen partículas cargadas y radiación gamma con energías muy superiores a las que se alcanzan en procesos térmicos como la fusión nuclear en las estrellas.
Mientras que los rayos gamma emitidos atraviesan el espacio sin perturbaciones, las partículas cargadas (o rayos cósmicos) son desviadas por los campos magnéticos omnipresentes en el universo y llegan a la Tierra de forma isótropa desde todas las direcciones. Esto significa que los investigadores no pueden deducir directamente el origen de la radiación.
Además, las partículas cargadas pierden energía a través de las interacciones con la luz y los campos magnéticos. Estas pérdidas son especialmente fuertes en el caso de los electrones y positrones más energéticos (antipartículas del electrón con carga positiva) con energías superiores a la marca de teraelectronvoltios.
Cuando los instrumentos en la Tierra miden partículas cósmicas cargadas de energías tan altas, significa que no pueden haber viajado lejos. Esto apunta a la existencia de potentes aceleradores de partículas naturales cerca de nuestro sistema solar.
En un nuevo análisis, los científicos de la colaboración HESS, un observatorio localizado en Namibia, han acotado por primera vez el origen de estas partículas cósmicas. El punto de partida del análisis es la medición del espectro de rayos cósmicos, es decir, la distribución de energía de los electrones y positrones medidos. El análisis se basa en 10 años de observaciones, lo que garantiza una alta calidad de los datos. El espectro electrónico integrado se extiende hasta varias decenas de teraelectronvoltios.
El artículo se publica en la revista Physical Review Letters.
“Nuestra medición no solo proporciona datos en un rango de energía crucial y hasta ahora inexplorado, lo que afecta a nuestra comprensión de la vecindad local, sino que también es probable que siga siendo un punto de referencia para los próximos años”, dice en un comunicado Werner Hofmann del Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg.
En el espectro, que se caracteriza por barras de error comparativamente pequeñas en energías de TeV, llama la atención un quiebre prominente en torno a un teraelectronvoltio. Tanto por encima como por debajo de esta ruptura, el espectro sigue una ley de potencia sin más anomalías.
Para averiguar qué proceso astrofísico ha acelerado los electrones a energías tan altas y cuál es el origen del quiebre, los investigadores compararon estos datos con las predicciones del modelo. Los candidatos a fuente son púlsares, que son remanentes estelares con fuertes campos magnéticos. Algunos púlsares expulsan un viento de partículas cargadas a su alrededor, y el frente de choque magnético de este viento podría ser el lugar donde las partículas experimentan un impulso.
Lo mismo se aplica a los frentes de choque de los remanentes de supernova. Los modelos informáticos muestran que los electrones acelerados de esta manera viajan al espacio con una distribución de energía determinada. Estos modelos rastrean los electrones y positrones a medida que se mueven a través de la Vía Láctea y calculan cómo cambia su energía al interactuar con los campos magnéticos y la luz en la Vía Láctea.
En el proceso, las partículas pierden tanta energía que su espectro de energía original se distorsiona. En el paso final, los astrofísicos intentan ajustar su modelo a los datos para aprender más sobre la naturaleza de las fuentes astrofísicas.
Pero, ¿qué objeto ha lanzado los electrones al espacio que los telescopios han medido? El espectro de partículas con energías inferiores a un teraelectronvoltio probablemente consta de electrones y positrones de diferentes púlsares o remanentes de supernova.
Sin embargo, a energías más altas, surge una imagen diferente: el espectro de energía cae abruptamente desde aproximadamente un teraelectronvoltio. Esto también lo confirman los modelos que estudian las partículas aceleradas por fuentes astronómicas y su difusión a través del campo magnético galáctico. Esta transición en un teraelectronvoltio es particularmente pronunciada y excepcionalmente aguda.
“Este es un resultado importante, ya que podemos concluir que los electrones medidos probablemente provienen de muy pocas fuentes en las proximidades de nuestro propio sistema solar, hasta un máximo de unos pocos miles de años luz de distancia", dice Kathrin Egberts de la Universidad de Potsdam. Esta distancia es relativamente pequeña en comparación con el tamaño de la Vía Láctea.
“Fuentes a diferentes distancias eliminarían considerablemente esta curvatura”, continúa Egberts.
Según Hofmann, un único púlsar podría ser el responsable del espectro de electrones a altas energías. Sin embargo, no está claro cuál de ellos es. Como la fuente debe estar muy cerca, solo unos pocos púlsares entran en juego.