Extraños rayos cósmicos que vienen de muy lejos

Lee J. Siegel
unenews.utah.edu
Traducido por Ciencia Kanija
21/03/08

Un estudio confirma una predicción de 1966: Las partículas más energéticas del universo no son de nuestra vecindad.

Los resultados finales del observatorio de rayos cósmicos Ojo de Mosca de Alta Resolución de la Universidad de Utah demuestran que las partículas más energéticas del universo raramente alcanza la Tierra con toda su fuerza debido a que vienen desde lejanas distancias, por lo que la mayoría de ellas colisionan con la radiación dejada en el nacimiento del universo.

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Los hallazgos están basados en nueve años de observaciones en el ahora clausurado observatorio Dugway Proving Ground del Ejército de los Estados Unidos. Confirman que una predicción de hace 42 años conocida como “borde”, “límite” o “supresión” de Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) – sobre el comportamiento de los rayos cósmicos de energía ultra-alta, los cuales portan más energía que cualquier otra partículas conocida.

La idea es que la mayoría - pero no todos – de las partículas de rayos cósmicos con energías por encima del límite de GZK no pueden alcanzar la Tierra porque pierden energía cuando colisionan con la “radiación del fondo de microondas cósmico”, que fue descubierto en 1965 y es el “resplandor” del Big Bang que los físicos creen que formó el universo hace 13 000 millones de años.

La revista Physical Review Letters publicó los resultados en su ejemplar del 21 de marzo.

La existencia del límite de GZK se predijo por primera vez por Kenneth Greisen de la Universidad de Cornell mientras estaba de visita en la Universidad de Utah en 1966, e independientemente por Georgiy Zatsepin y Vadim Kuzmin del Instituto de Física Lebedev de Moscú.

“Este ha sido el objetivo de gran parte de la física de rayos cósmicos de ultra-alta energía durante los últimos 40 años, encontrar este límite o refutarlo”, dice el físico Profesor Pierre Sokolsky, decano del Colegio de Ciencias de la Universidad de Utah y líder del estudio en una colaboración de 60 científicos de siete instituciones de investigación. “Por primera vez en 40 años, la cuestión se ha contestado: existe un límite”.

Tal conclusión, basada en observaciones de principios de 1997 a 2006 del observatorio de rayos cósmicos HiRes en el desierto occidental de Utah, ha sido apoyada por el nuevo observatorio de rayos cósmicos Auger en Argentina. Durante una conferencia sobre rayos cósmicos en Mérida, México, el pasado verano, los físicos de Auger esbozaron unos resultados preliminares no publicados que demostraban que el número de rayos cósmicos de energía ultra-alta que alcanzaban la Tierra caía agudamente sobre el límite.

Por tanto, ambos hallazgos de HiRes y Auger contradicen el ya difunto Conjunto de Lluía Aérea Gigante Akeno (AGASA), el cual observó aproximadamente 10 veces más de estos ratos cómicos de la mayor energía – y por tanto sugería que no existía tal límite GZK.

Rayos cósmicos: Lejanos

El pasado noviembre, la colaboración del observatorio Auger – a la cual Sokolsky también pertenece – publicó un estudio sugiriendo que los rayos cósmicos de energía ultra-alta proceden de los núcleos galácticos activos o AGNs, o el corazón de galaxias extremadamente activas que se cree que albergan agujeros negros supermasivos.

Los AGNs se distribuyen a través de todo el universo, por lo que la confirmación de que el límite de GZK es real sugiere que estos rayos cósmicos de ultra-alta energía son expulsados por los AGNs, que principalmente están muy distantes de la Tierra - al menos en los cielos del hemisferio norte vistos por el observatorio HiRes. El profesor de física de la Universidad de Utah Profesor Charlie Jui, coautor del nuevo estudio, dice que eso significa que las galaxias más allá de nuestro supercúmulo “local” están a distancias de al menos 150 millones de años luz.

Sin embargo, los resultados no publicados de HiRes no hallan la misma correlación que los de Auger entre los rayos cósmicos de ultra-alta energía y los núcleos galácticos activos. Por lo que aún hay cierta incertidumbre sobre la verdadera fuente de estos rayos cósmicos extremadamente energéticos.

“Aún no sabemos de dónde proceden, pero llegan de muy lejos”, dice Sokolsky. “Ahora que sabemos que el límite de GZK está ahí, tenemos que mirar fuentes mucho más alejadas”.

Además de la Universidad de Utah, los científicos de HiRes provienen del Laboratorio Nacional de Los álamos en Nuevo México, la Universidad de Columbia en Nueva York, la Universidad de Rutgers – la Universidad Estatal de Nueva Jersey, Universidad Estatal de Montana en Bozeman, la Universidad de Tokio y la Universidad de Nuevo México en Albuquerque.

Mensajeros del Gran Más Allá

Los rayos cósmicos, descubiertos en 1912, son partículas subatómicas: el núcleo de la mayor parte del hidrógeno (protones desnudos) y helio, pero también de algunos de elementos más pesados como el oxígeno, carbono, nitrógeno o incluso hierro. El Sol y otras estrellas emiten rayos cósmicos de energía relativamente baja, mientras que los rayos cósmicos de energía media proceden de estrellas en explosión.

El origen de los rayos cósmicos de energía ultra-alta ha sido un misterio durante casi un siglo. El reciente resultado del observatorio Auger han dado ventaja a la popular teoría de que se originan en los núcleos galácticos activos. Son 100 millones de veces más energéticos que cualquier cosa generada en un acelerador de partículas en la Tierra. La energía de una de tales partículas subatómicas ha sido comparado con la de un ladrillo de plomo soltado desde una altura de 30 cm o con el impacto de una bola de béisbol golpeándote en la cabeza.

“Apartándonos de los arcanos de la física, estamos hablando de comprender el origen de las partículas más energéticas producidas por los mayores procesos de aceleración del universo”, dice. “Es una cuestión de cuánta energía puede empaquetar el universo en estas partículas extraordinariamente diminutas conocidas como rayos cósmicos. … Cómo de alta puede ser la energía, en principio es algo desconocido. Para el momento en que llegan hasta nosotros, han perdido tal energía”.

Añade: “Observar los procesos de energía en el límite de lo que es posible en el universo nos dirá cómo de bien entendemos la naturaleza”.

Los rayos cósmicos de energía ultra-alta se considera que están sobre el trillón de electrón voltios.

El rayo cósmico más energético jamás encontrado se detectó en Utah en 1991 y portaba una energía de 300 trillones de electrón voltios. Fue detectado por el observatorio origina Ojo de Mosca de la Universidad de Utah, el cual fue construido en Dugway durante 1980-1981 y mejorado en 1986. Se construyó un observatorio mejor durante 1994-1999 al que se llamó HiRes.

Jui dice que durante sus años de operación, HiRes detectó sólo 4 de los rayos cósmicos de más alta energía – aquellos con energías por encima de 100 trillones de electrón voltios. AGASA detectó 11, incluso aunque tenía un cuarto de la sensibilidad de HiRes.

El nuevo estudio cubre las operaciones de HiRes durante 1997 hasta 2006, y los rayos cósmicos por encima del límite de GZK de 60 trillones de electrón voltios. Durante tal periodo, el observatorio detectó 13 de tales rayos cósmicos, comparado con los 43 que se esperarían sin el límite. Por lo que la detección de sólo 13 indica que el límite de GZK es real, y que la mayoría de los rayos cósmicos de energía ultra-alta quedan bloqueados por la radiación del fondo de microondas cósmico por lo que pocos llegan a la Tierra sin perder energía.

La discrepancia entre HiRes y AGASA se cree que radica en sus distintos métodos de medir los rayos cósmicos.

HiRes usó un conjunto de espejos de múltiples caras (como el ojo de una mosca) y un fotomultiplicador para detectar los débiles destellos fluorescentes ultravioleta en el cielo generados cuando las partículas de rayos cósmicos golpean la atmósfera de la Tierra. Sokolsky y el físico de la Universidad de Utah George Cassiday ganaron el prestigioso Premio Panofsky 2008 por el desarrollo de tal método.

HiRes medía la energía y dirección de un rayo cósmico más directamente y con más fiabilidad que AGASA, la cual usaba un conjunto en parrilla de “contadores de destellos” sobre el suelo.

La búsqueda continúa

La Universidad de Tokio, la Universidad de Utah y otros científicos usan ahora el nuevo observatorio de rayos cósmicos del Conjunto de Telescopio de 17 millones de dólares al oeste de Delta en Utah, el cual incluye tres grupos de detectores fluorescentes y 512 detectores de destellos dispersos a lo largo de 600 kilómetros cuadrados - en otras palabras, los dos métodos que produjeron los resultados conflictivos en HiRes y AGASA. Un objetivo es comprender porqué los detectores de tierra dieron un recuento inflado del número de rayos cósmicos de energía ultra-alta.

El Conjunto de Telescopio también intentará explicar el número aparentemente bajo de rayos cósmicos a energías aproximadamente 10 veces menores que el límite de GZK. Este descenso en “forma de rodilla” en el espectro de rayos cósmicos es una carencia de rayos cósmicos en energías de aproximadamente 5 trillones de electrón voltios.

Sokolsky dice que existe debate sobre si la “rodilla” representa el rayo cósmico que agota su energía tras ser expulsada de estrellas en explosión dentro de nuestra galaxia, o la pérdida de energía predicha cuando los rayos cósmicos de energía ultra-alta de fuera de nuestra galaxia colisionan con el brillo del Big Bang, generando electrones y positrones de antimateria.

El Conjunto de Telescopio y los observatorios Auger seguirán buscando el origen de extraños rayos cósmicos de energía ultra-alta que evaden el brillo del Big Bang y alcanzan la Tierra.

“La suposición más razonable es que proceden de una clase de núcleos galácticos activos conocidos como blazars”, dice Sokolsky.

Tal centro galáctico se sospecha que alberga un agujero negro supermasivo en su interior con la masas de mil millones de soles aproximadamente. Cuando la materia es absorbida en el agujero negro, la materia cercana es expulsada hacia fuera en forma de un chorro similar a un rayo. Cuando tal chorro se apunta hacia la Tierra, la galaxia es conocida como blazar.

“Es como mirar a través del cañón de un arma”, dice Sokolsky. “Esos muchachos son los candidatos más probables para la fuente de rayos cósmicos de energía ultra-alta”.

Los 60 coautores del nuevo estudio incluyen a Sokolsky, Jui y otros 31 miembros del profesorado de la Universidad de Utah, profesores de posdoctorado y estudiantes: Rasha Abbasi, Tareq Abu-Zayyad, Monica Allen, Greg Archbold, Konstantin Belov, John Belz, S. Adam Blake, Olga Brusova, Gary W. Burt, Chris Cannon, Zhen Cao, Weiran Deng, Yulia Fedorova, Richard C. Gray, William Hanlon, Petra Huntemeyer, Benjamin Jones, Kiyoung Kim, the late Eugene Loh, Melissa Maestas, Kai Martens, John N. Matthews, Steffanie Moore, Kevin Reil, Robertson Riehle, Douglas Rodriguez, Jeremy D. Smith, R. Wayne Springer, Benjamin Stokes, Stanton Thomas, Jason Thomas y Lawrence Wiencke.