En una ola de comunicados de prensa, los últimos estudios realizados por el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA están iluminando el mundo de la astrofísica de partículas con la noticia de cómo las supernovas podrían ser las progenitoras de los rayos cósmicos. El resto son electrones y núcleos atómicos. Cuando se encuentran con un campo magnético, sus caminos cambian como un auto de choque en un parque de diversiones, pero no hay nada divertido en no conocer sus orígenes. Ahora, cuatro años de duro trabajo realizado por científicos del Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía (DOE) han valido la pena. Hay evidencia de cómo nacen los rayos cósmicos.
"Las energías de estos protones están mucho más allá de lo que pueden producir los colisionadores de partículas más poderosos en la Tierra", dijo Stefan Funk, astrofísico del Instituto Kavli y la Universidad de Stanford, quien dirigió el análisis. "En el siglo pasado aprendimos mucho sobre los rayos cósmicos cuando llegan aquí. Incluso hemos tenido fuertes sospechas sobre la fuente de su aceleración, pero no hemos tenido evidencia inequívoca que los respalde hasta hace poco ".
Hasta ahora, los científicos no tenían claros algunos detalles, como qué partículas atómicas podrían ser responsables de las emisiones del gas interestelar. Para ayudar a su investigación, analizaron muy de cerca un par de restos de supernovas que emiten rayos gamma, conocidos como IC 443 y W44. ¿Por qué la discrepancia? En este caso, los rayos gamma comparten energías similares con los protones y electrones de rayos cósmicos. Para distinguirlos, los investigadores han descubierto el pión neutro, el producto de los protones de rayos cósmicos que impactan a los protones normales. Cuando esto sucede, el pión se descompone rápidamente en un conjunto de rayos gamma, dejando un declive característico, uno que proporciona pruebas en forma de protones. Creado en un proceso conocido como Fermi Acceleration, los protones permanecen cautivos en el frente de choque de la supernova que se mueve rápidamente y no se ven afectados por los campos magnéticos. Gracias a esta propiedad, los astrónomos pudieron rastrearlos directamente hasta su fuente.
"El descubrimiento es el arma humeante de que estos dos remanentes de supernova están produciendo protones acelerados", dijo el investigador principal Stefan Funk, astrofísico del Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas en la Universidad de Stanford en California. "Ahora podemos trabajar para comprender mejor cómo manejan esta hazaña y determinar si el proceso es común a todos los remanentes donde vemos emisión de rayos gamma".
¿Son pequeños velocistas? Puedes apostar. Cada vez que la partícula pasa a través del frente de choque, gana aproximadamente un 1% más de velocidad, lo suficiente como para liberarse como un rayo cósmico. "Los astronautas han documentado que en realidad ven destellos de luz asociados con los rayos cósmicos", señaló Funk. "Es una de las razones por las que admiro su valentía: el entorno es bastante duro". El siguiente paso en esta investigación, agregó Funk, es comprender los detalles exactos del mecanismo de aceleración y también las energías máximas a las que los remanentes de supernova pueden acelerar los protones.
Sin embargo, los estudios no terminan ahí. Durante el análisis de observación cuidadoso del astrónomo serbio Sladjana Nikolic (Instituto Max Planck de Astronomía) surgieron más pruebas nuevas de restos de supernovas que actúan como aceleradores de partículas. Echaron un vistazo a la composición de la luz. Nikolic explica: “Esta es la primera vez que pudimos analizar en detalle la microfísica en y alrededor de la región de choque. Encontramos evidencia de una región precursora directamente frente al choque, que se cree que es un requisito previo para la producción de rayos cósmicos. Además, la región precursora se está calentando de la manera que uno esperaría si hubiera protones que transporten energía de la región directamente detrás del choque ".
Nikolic y sus colegas emplearon el espectrógrafo VIMOS en el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral en Chile para observar y documentar una sección corta del frente de choque de la supernova SN 1006. Esta nueva técnica se conoce como espectroscopía de campo integral, un proceso por primera vez lo que permite a los astrónomos examinar a fondo la composición de la luz del remanente de supernova. Kevin Heng, de la Universidad de Berna, uno de los supervisores del trabajo de doctorado de Nikolic, dice: “Estamos particularmente orgullosos del hecho de que logramos utilizar la espectroscopía de campo integral de una manera poco ortodoxa, ya que generalmente se utiliza para el estudio de galaxias de alto desplazamiento al rojo. Al hacerlo, logramos un nivel de precisión que supera con creces todos los estudios anteriores ".
Realmente es un momento intrigante para observar de cerca los restos de supernovas, especialmente con respecto a los rayos cósmicos. Como explica Nikolic: “Este fue un proyecto piloto. Las emisiones que observamos del remanente de supernova son muy, muy débiles en comparación con los objetos objetivo habituales para este tipo de instrumento. Ahora que sabemos lo que es posible, es realmente emocionante pensar en proyectos de seguimiento ". Glenn van de Ven, del Instituto Max Planck de Astronomía, otro co-supervisor de Nikolic y experto en espectroscopía de campo integral, agrega: “Este tipo de enfoque observacional novedoso podría ser la clave para resolver el enigma de cómo se producen los rayos cósmicos en restos de supernova ".
El director del Instituto Kavli, Roger Blandford, quien participó en el análisis de Fermi, dijo: "Es apropiado que una demostración tan clara que muestre que los remanentes de supernova aceleran los rayos cósmicos se produjo cuando celebramos el centésimo aniversario de su descubrimiento. Trae a casa lo rápido que avanzan nuestras capacidades de descubrimiento ”.
Fuentes originales de la historia y lecturas adicionales: Enfoque novedoso en la búsqueda del acelerador de partículas cósmicas, Fermi prueba que los remanentes de supernovas de la NASA producen rayos cósmicos y Prueba: los rayos cósmicos provienen de estrellas explosivas.
