El enigma del origen de los rayos cósmicos permanece sin resolver

24/02/10
Odisea Cósmica

Los rayos cósmicos de alta energía nos llegan con energías 10 millones de veces más poderosas de lo que podemos producir en nuestros aceleradores aquí en la Tierra. Los astrónomos habían creído que estaban cerca de comprender los orígenes y composiciones de estas partículas. Ahora parece que deben comenzar de nuevo.

Los datos recogidos hace 3 años por el Observatorio Pierre Auger en Mendoza, Argentina, sugerían un tentador alineamiento entre estas partículas y los núcleos de galaxias activas (AGNs). Esto sugería que los agujeros negros supermasivos y en los AGN podrían ser los aceleradores de partículas cósmicas que se habían buscado durante tanto tiempo que sometían a estas partículas a energías muy altas.

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La conexión aparente con los agujeros negros electrificó a la comunidad astronómica. "Pensamos que había nacido una nueva astronomía: la astronomía de partículas cargadas", explica Charles Dermer, astrofísico de rayos cósmicos en el Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos en Washington DC.

Pero en una reunión de la Sociedad Física Americana en Washington DC el 16 de febrero, el equipo de Auger comenzó a dar marcha atrás en sus conclusiones originales. El grupo reveló nuevos datos que debilitan la relación entre las partículas de alta energía y la AGN.

Para complicar el misterio, el equipo ha encontrado evidencias de que estos rayos cósmicos pueden ser núcleos de hierro, en lugar de los protones que componen la mayoría de los rayos cósmicos. "Hay algunos rompecabezas", dice Paul Sommers, coportavoz de la colaboración Auger en la Universidad Estatal de Pennsylvania en University Park. "No estamos cerca de escribir el capítulo final."

Los rayos cósmicos de baja energía, compuestos principalmente de protones, golpean la Tierra continuamente. Se originan dentro de la Vía Láctea, pero se ven venir desde todas las direcciones del cielo porque los campos magnéticos de la Galaxia, curvan sus trayectorias y ocultan sus fuentes originales. Los rayos cósmicos de alta energía fuera de la galaxia son mucho menos frecuentes, pero son potencialmente más valiosos como marcadores astronómicos, ya que viajan por la Galaxia en trayectorias rectas.

El caso más extremo de ellos golpeó el planeta con enormes energías de 1 × 10^20 electronvoltios (eV; en comparación, los protones producidos por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) alcanzarán un máximo de 7 × 10^12 eV). Estas partículas de alta energía podrían suponer una forma de detectar una nueva física más allá del modelo estándar de las partículas subatómicas y las fuerzas que los controlan. Cuando las partículas de alta energía chocan en la alta atmósfera superior crean "chubascos aéreos" de miles de millones de partículas que caen como una cascada, además de un pálido destello de luz que, en noches sin luna, se pueden ver en lugares como el Observatorio Auger, una instalación de de 3.000 kilómetros cuadrados con detectores en las secas llanuras de la Patagonia.

Pero seguir el rastro de las sobre estos rayos cósmicos es difícil debido a su rareza, pues en promedio, impacta menos de una partícula por siglo, en un área de un kilómetro cuadrado. Con los años, los astrónomos han considerado varios posibles orígenes, además de los AGN para estos raros rayos. Algunos sospechan de explosiones de estrellas crean los estallidos de rayos gamma, y Dermer afirma que es posible que incluso los pequeños agujeros negros y las estrellas de neutrones pudieran acelerar a las partículas hasta las energías necesarias.

Los últimos resultados de los científicos de Auger ponen todos estos posibles orígenes de nuevo en la escena. Aunque el documento de 2007 se basó en sólo 13 rayos cósmicos de mayor energía, Sommers dice que el equipo se está preparando un nuevo análisis para la publicación que se basa en otros 44 eventos. Menos del 40% de estos rayos cósmicos que parecía venir de los AGNs, mostrando una correlación mucho más débil de la que había informado anteriormente. Los rayos no se distribuyen al azar sino que siguen la distribución de la materia visible en el Universo.

El aspecto más curioso de los resultados más recientes se refiere a la composición de las partículas. Como los informes del equipo en un artículo aceptado para su publicación en Physical Review Letters. Están viendo pequeñas lluvias que son indicativos de los núcleos de hierro, y no a las grandes lluvias que señalan a los protones. Los rayos cósmicos de ultralta energía de los núcleos de hierro serían más difícil de explicar porque estos núcleos son menos comunes que los protones y es más probable que resulten rotos por los violentos mecanismos que se cree aceleran los rayos cósmicos.

El panorama se complica aún más por el hecho de que un experimento rival en el hemisferio norte: High Resolution Fly's Eye (HiRes) en Utah - ha aportado datos contradictorios. El portavoz Pierre Sokolsky de la Universidad de Utah en Salt Lake City, dice que los resultados de su equipo, están basados en sólo diez rayos cósmicos, y sugieren que son protones con una distribución aleatoria en el cielo. El análisis es objeto de examen en Astrophysical Journal Letters.

Sokolsky señala que el flujo de rayos cósmicos en HiRes podría ser sencillamente diferente de lo que se observa en la Argentina. El hemisferio norte de la Tierra (y por lo tanto HiRes) en general no está bien orientado al centro de la Vía Láctea, por lo que los campos magnéticos en esa dirección podrían variar. En cambio, varias fuentes potenciales prominentes ceranas de rayos cósmicos, como el AGN de la galaxia Centaurus A, son visibles desde el hemisferio sur. "Parece que la naturaleza nos está lanzando unas pocas bolas curvas", concluye Sokolsky.