De dónde obtienen los rayos cósmicos su brutal energía
Una nueva investigación sugiere que estos poderosos rayos «extraen» su energía de las turbulencias magnéticas.
Por Enrique Coperías
Los rayos cósmicos de ultraalta energía (UHECR, por sus siglas en inglés) son partículas subatómicas, generalmente protones o núcleos atómicos, que poseen energías extremadamente altas, mucho mayores que las alcanzables por los aceleradores de partículas más potentes en la Tierra. Imagen generada con Copilot
Los rayos cósmicos de ultraalta energía, que emergen en entornos astrofísicos extremos, como los entornos turbulentos cerca de los agujeros negros y las estrellas de neutrones, tienen mucha más energía que las partículas energéticas que emergen de nuestro sol. De hecho, las partículas que componen estas corrientes de energía tienen alrededor de 10 millones de veces la energía de las partículas aceleradas en el entorno de partículas más extremo de la Tierra, el gran colisionador de hadrones hecho por el hombre y que se halla debajo de la frontera entre Francia y Suiza, cerca de Ginebra.
Pero ¿de dónde viene toda esa energía? El origen exacto de los UHECR sigue siendo un misterio, aunque podrían provenir de fuentes astrofísicas extremadamente energéticas como agujeros negros supermasivos, núcleos galácticos activos, estallidos de rayos gamma, restos de supernovas o fenómenos exóticos, como la desintegración de partículas primordiales o defectos topológicos en el espacio-tiempo.
Turbulencias magnéticas
Durante muchos años, algunos científicos creyeron los rayos cósmicos de ultraalta energía que se debían a choques que ocurren en ambientes astrofísicos extremos; cuando, por ejemplo, una estrella explota antes de formar un agujero negro, lo que provoca un enorme bombazo que levanta partículas.
Esta teoría era plausible, pero, según una nueva investigación publicada en el The Astrophysical Journal Letters, las observaciones se explican mejor mediante un mecanismo diferente. Investigadores de la Universidad de Columbia, en Estados Unidos, han descubierto que la fuente de energía de los rayos cósmicos es más probablemente la turbulencia magnética.
Los autores del artículo se toparon con que los campos magnéticos en estos entornos se enredan y giran, acelerando rápidamente las partículas y aumentando drásticamente su energía hasta un corte abrupto.
Nueva luz sobre enigmas sin resolver
«Estos hallazgos ayudan a resolver eternas preguntas que son de gran interés tanto para los astrofísicos como para los físicos de partículas sobre cómo estos rayos cósmicos obtienen su energía —dice Luca Comisso, científico del Laboratorio de Astrofísica de la Universidad de Columbia y uno de los autores del artículo.
El artículo complementa la investigación publicada el año pasado por Comisso y sus colaboradores sobre las partículas energéticas del Sol, que también descubrieron que emergen de los campos magnéticos en la corona del astro rey. En ese artículo, Comisso y sus colegas descubrieron formas de predecir mejor dónde surgirían esas partículas energéticas.
Cuando estos rayos cósmicos chocan con las moléculas de la atmósfera terrestre, generan una cascada de partículas secundarias conocida como lluvia de partículas. Estas lluvias pueden ser detectadas por telescopios terrestres o sensores especializados. Ilustración: ASPERA/Novapix / L. Bret / UChicago
Pero como ya se ha mencionado, los rayos cósmicos de energía ultraalta son inmensamente más poderosos que las partículas energéticas del Sol: su energía supera los 10^18 (10 elevado a 18) electronvoltios (eV), llegando incluso a rebasar los 10^20 eV. Para hacerse una idea de la enorme diferencia los autores del trabajo nos invitan a que consideremos la diferencia de peso entre un grano de arroz, con una masa de aproximadamente 0,05 gramos, y un Airbus A380 de quinientas toneladas, el avión de pasajeros más grande del mundo.
«Estos dos entornos extremadamente diferentes tienen algo en común: sus campos magnéticos están muy enredados y esta naturaleza enredada es crucial para energizar las partículas», explica Comisso.
En palabras de Glennys R. Farrar, coautor del artículo y profesor de Física en la Universidad de Nueva York, en Estados Unidos, «sorprendentemente, los datos sobre los rayos cósmicos de ultraalta energía prefieren claramente las predicciones de turbulencia magnética a las de aceleración de choque. Este es un verdadero avance para este campo de investigación».▪️
Información facilitada por la Universidad de Columbia
Fuente: Luca Comisso, Glennys R. Farrar, and Marco S. Muzio. Ultra-High-Energy Cosmic Rays Accelerated by Magnetically Dominated Turbulence. The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad955f
