Detectados los electrones y positrones de rayos cósmicos más energéticos jamás observados
Comprender estos rayos cósmicos nos permite desvelar grandes aceleradores de partículas en el universo que suelen estar asociados a los fenómenos más violentos.
Por Enrique Coperías
Visualización del conjunto de telescopios H.E.S.S. capturando las lluvias de partículas producidas por electrones y positrones cósmicos de alta energía, así como rayos gamma. Crédito: MPIK/H.E.S.S. Collaboration
El universo rebosa de entornos extremos, que van desde las temperaturas más frías hasta las fuentes de energía más elevadas posibles. En consecuencia, objetos extremos, como los remanentes de supernova, los púlsares y los núcleos galácticos activos, son capaces de emitir partículas cargadas y rayos gamma con energías increíblemente altas, tanto que superan en varios órdenes de magnitud la energía producida por la fusión nuclear en las estrellas.
Los rayos gamma detectados en la Tierra nos dicen mucho sobre estas fuentes, ya que viajan por el espacio sin ser perturbados. Sin embargo, en el caso de las partículas cargadas, también conocidas como rayos cósmicos, las cosas son más complicadas, ya que son sacudidas constantemente por los campos magnéticos presentes en todo el universo e impactan contra la Tierra de forma isótropa, es decir, desde todas las direcciones.
Descritos por primera vez en 1912 por el físico austriaco Victor Hess, los rayos cósmicos fueron descubiertos tras una serie de ascensos en globo destinados a explorar la radiación ionizante que se detectó por primera vez en un electroscopio. Sin embargo, tras alcanzar una altitud de 5.300 metros, Hess desveló una fuente natural de partículas de alta energía procedentes del espacio. Hoy llamamos a esas partículas rayos cósmicos.
Además, estas partículas cargadas pierden parte de su energía por el camino al interactuar con la luz y los campos magnéticos. Estas pérdidas de energía son especialmente significativas en el caso de los electrones y positrones más energéticos, conocidos como electrones de rayos cósmicos (CRe), cuya energía supera un teraelectronvoltio (TeV), esto es, un billón de veces superior a la de la luz visible.
Electrones y positrones con energías de varios teraelectronvoltios
Por tanto, es imposible determinar el punto de origen de tales partículas cargadas en el espacio, aunque su detección en la Tierra es un claro indicador de que existen potentes aceleradores de partículas de rayos cósmicos en sus proximidades.
Sin embargo, detectar electrones y positrones con energías de varios teraelectronvoltios es especialmente difícil. Los instrumentos espaciales, con áreas de detección de aproximadamente un metro cuadrado, son incapaces de captar un número suficiente de estas partículas, que son cada vez más raras cuanto mayor es su energía.
Por otra parte, los instrumentos terrestres, que detectan indirectamente la llegada de rayos cósmicos a través de las lluvias de partículas que producen en la atmósfera terrestre, se enfrentan al reto de diferenciar las lluvias provocadas por electrones —o positrones— de rayos cósmicos de las lluvias, mucho más frecuentes, producidas por el impacto de protones y núcleos de rayos cósmicos más pesados.
El Observatorio H.E.S.S.2, situado en Namibia, utiliza cinco grandes telescopios para captar y registrar la débil radiación Cherenkov —una emisión de luz que ocurre cuando una partícula cargada viaja a través de un medio (como agua o vidrio) a una velocidad superior a la velocidad de la luz en ese medio, generando una onda de choque electromagnética similar a un destello— producida por las partículas fuertemente cargadas y los fotones que penetran en la atmósfera terrestre, lo que produce una lluvia de partículas a su paso. Aunque el objetivo principal del H.E.S.S.2 es detectar y seleccionar rayos gamma para investigar sus fuentes, los datos también pueden utilizarse para buscar electrones de rayos cósmicos.
Impresión artística de un púlsar con su potente campo magnético girando a su alrededor. Las nubes de partículas cargadas que se mueven a lo largo de las líneas de campo emiten rayos gamma que son enfocados por los campos magnéticos, como los haces de luz de un faro. En estos campos magnéticos, se crean y aceleran pares de positrones y electrones, lo que convierte a los púlsares en fuentes potenciales de electrones y positrones cósmicos de alta energía. Cortesía: NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab
En el análisis más exhaustivo jamás realizado, los científicos de la colaboración H.E.S.S. han obtenido ahora nueva información sobre el origen de estas partículas. Para ello, los astrofísicos han peinado el enorme conjunto de datos recogidos a lo largo de una década por los cuatro telescopios de 12 metros, aplicando nuevos algoritmos de selección más potentes, capaces de extraer los electrones de rayos cósmicos del ruido de fondo con una eficacia sin precedentes.
El resultado fue un conjunto de datos estadísticos sin parangón para el análisis de los electrones de rayos cósmicos. Más concretamente, los investigadores del H.E.S.S. pudieron obtener por primera vez datos sobre electrones de rayos cósmicos en los rangos de energía más altos, hasta 40 TeV. Esto les permitió identificar una ruptura sorprendentemente pronunciada en la distribución de energía de los electrones de rayos cósmicos.
“Se trata de un resultado importante, ya que podemos concluir que es muy probable que los electrones de rayos cósmicos medidos procedan de muy pocas fuentes cercanas a nuestro sistema solar, hasta un máximo de unos mil años luz de distancia, una distancia muy pequeña en comparación con el tamaño de nuestra galaxia.”
«Con nuestro análisis detallado hemos podido poner por primera vez fuertes restricciones al origen de estos electrones cósmicos», añade Werner Hofmann, profesor del Max-Planck-Institut für Kernphysik y coautor del estudio.
Los mejores candidatos cósmicos responsable de estos electrones son las supernovas relativamente antiguas o los fuertes vientos estelares de las estrellas WR (Wolf-Rayet) —estrellas masivas y evolucionadas cuya envoltura original rica en hidrógeno ha sido eliminada por los vientos estelares—, pero hay otras posibilidades que los científicos no pueden descartar.
«Los bajísimos flujos a mayor TeV limitan las posibilidades de las misiones espaciales para competir con esta medida. Por lo tanto, nuestra medición no solo proporciona datos en un rango de energía crucial y previamente 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»,concluye Mathieu de Naurois, investigador del CNRS del Laboratoire Leprince-Ringuet. ▪️
Información facilitada por el CNRS
Fuente: F. Aharonian, F. Ait Benkhali, J. Aschersleben, H. Ashkar, M. Backes, V. Barbosa Martins, R. Batzofin, Y. Becherini and D. Bergeet al. High-Statistics Measurement of the Cosmic-Ray Electron Spectrum with H.E.S.S. Physical Review Letters (2024). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.221001
