Misteriosos rayos cósmicos vinculados a centrales de energía galácticas

University of Chicago News
Traducido por Ciencia Kanija
12/11/07

Las fuentes de partículas de alta energía se dispersan de modo dispar por todo el cielo.

El Observatorio de Rayos Cósmicos Auger de Sudameríca ha producido si primer gran descubrimiento mientras aún está en construcción. La colaboración internacional Auger ha rastreado la lluvia de rayos cósmicos de alta energía que caen continuamente sobre la Tierra desde los núcleos de las galaxias cercanas, las cuales emiten prodigiosas cantidades de energía.

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“Este es un descubrimiento fundamental”, dijo el premio Nobel James Cronin, Profesor Emérito de Física en la Universidad de Chicago. “La edad de los rayos cósmicos ha llegado a la astronomía. En los próximos años, nuestros datos nos permitirán identificar las fuentes exactas de estos rayos cósmicos y cómo aceleran estas partículas”.

La colaboración Auger, que incluye a 370 científicos e ingenieros de 17 países, anunciará formalmente su descubrimiento en el ejemplar del viernes 9 de noviembre de la revista Science. Diez investigadores pertenecientes a la Universidad de Chicago colaboran con Auger, incluyendo a Cronin y Angela Olinto, Profesora de Astronomía y Astrofísica. Cronin inició el proyecto con Alan Watson de la Universidad de Leeds a principios de los años 90.

Hasta ahora, la historia de los descubrimientos astronómicos ha estado dominada por la detección de la luz. “Estamos haciendo astronomía con protones — partículas cargadas”, dijo Joao de Mello Neto, a becario visitante de la Universidad de Río de Janeiro de Brasil. “Estamos abriendo una nueva ventana en la astronomía”.

Los rayos cósmicos – protones en su mayor parte — vuelan a través del universo a casi la velocidad de la luz. Los rayos cósmicos más potentes contienen más de cien millones de veces más energía que las partículas producidas en el acelerador de partículas más potente del mundo. Afortunadamente, la atmósfera de la Tierra proporcionar protección contra los efectos potencialmente dañinos sobre los humanos.

Desde 1938, cuando el físico francés Pierre Auger descubrió los rayos cósmicos de alta energía, sus orígenes han sido un misterio. Ahora la colaboración Auger los ha rastreado hasta los Núcleos Galácticos Activos (AGN). Posiblemente alimentados por agujeros negros supermasivos, los AGN brillan mucho más que las galaxias normales como un subproducto de su fuerza gravitatoriamente destructiva.

“Tras décadas de resultados negativos de anteriores experimentos, los físicos de Auger por fin encontraron que los rayos cósmicos no provienen igualmente de todas las direcciones del espacio”, dijo Olinto.

Los científicos han considerado durante mucho tiempo a los AGN como posibles fuentes de rayos cósmicos de alta energía. Y aunque ahora han encontrado una fuerte correlación entre ambos, lo que acelera exactamente a los rayos cósmicos a tales energías tan altas aún permanece como una incógnita.

“Son objetos realmente espectaculares”, dijo Maximo Ave, Investigador Asociado en el Instituto Kavli para Física Cosmológica en Chicago. “Muy probablemente sólo puedan ser producidos en un lugar donde estén teniendo lugar algunos procesos físicos muy extremo”. Uno de tales procesos extremos podrían ser los estallidos de rayos gamma, el posible resultado de estrellas que colapsan o colisionan.

El grupo de Chicago ha centrado gran parte de su atención en el análisis estadístico de los datos de Auger.

Los números son relativamente exiguos, teniendo en cuenta que sólo un rayo cósmico de alta energía golpea en un kilómetro cuadrado dado de la Tierra aproximadamente cada siglo.

La colaboración Auger ha incrementado las posibilidades de detección construyendo un conjunto de detectores que cubren unos 2000 kilómetros cuadrados de Pampa Amarilla, una vasta llanura en el oeste de Argentina. Cuando se complete, el conjunto constará de 1600 detectores espaciados a intervalos de algo más de un kilómetro. El noventa por ciento del conjunto ya está operativo.

Cada detector consta de un tanque de agua de plástico que mide 1,52 metros de altura y 3,66 metros de diámetro. Cuando un rayo cósmico colisiona con una molécula del aire en la atmósfera de la Tierra, esta dispara una lluvia que se multiplica en miles de millones de partículas secundarias antes de alcanzar el suelo. Cuando estas partículas pasan del aire al agua, la velocidad cambia, produciendo un choque. El choque crea un flash de luz que es detectado en la cámara oscura del tanque de agua.

“Con esto podemos estimar la energía y la dirección de la que proviene, que son los dos parámetros importantes para este análisis”, dijo de Mello Neto.

Complementando a los detectores de tierra hay 24 telescopios que monitorizan el cielo buscando señales de rayos cósmicos en las noches claras sin luna. Los telescopios detectan la emisión de luz fluorescente que es el resultado de la interacción de los rayos cósmicos con las moléculas de nitrógeno de la atmósfera.

“Vemos el evento de dos formas distintas, y esta es una forma muy potente de hacer una comprobación cruzada de los resultados”, dijo Vasiliki Pavlidou, Investigador Asociado en el Instituto Kavli para Física Cosmológica.

El artículo de Science documenta los 27 rayos cósmicos de mayor energía detectados por el Observatorio Auger desde enero de 2004 a agosto de 2007. Cuando se correlacionaron con un catálogo de objetos en el cielo, su dirección de viaje encajaba con las localizaciones de AGNs en galaxias que no distan más de 180 millones de años de la Tierra y su galaxia, la Vía Láctea. “Estas distancias corresponden al espacio extragaláctico cercano, los suburbios de la Vía Láctea, en términos cosmológicos”, dijo Olinto.

Los científicos de Auger sospecharon por primera vez que habían encontrado un resultado importante el año pasado. Pero para asegurar la precisión del resultado, el equipo de Auger configuró un procedimiento estricto para analizar nuevos datos tal y como vienen sin influir en el resultado.

“Muchas veces, cuando buscas algún significado estadístico, lo encuentras porque lo estabas buscando”, dijo Lorenzo Cazon, Profesor Asociado en el Instituto Kavli de Chicago para Física Cosmológica. Pero ahora el equipo de Auger ha validado estadísticamente su hallazgo.

Cronin dijo: “Hemos dado un gran paso adelante en la resolución del misterio del origen y naturaleza de los rayos cósmicos de energía más alta”.