Los rayos cósmicos ultra energéticos no son de nuestra galaxia

Los rayos cósmicos ultra energéticos no son de nuestra galaxia

Crédito de la imagen destacada: Radiación cósmica sobre el Observatorio Pierre Auger. A. Chantelauze / S. Staffi / L. Bret / Pierre Auger Observatory.

La radiación cósmica o rayos cósmicos consiste en partículas cargadas que viajan a grandes velocidades por el espacio. Debido a su gran velocidad, los rayos cósmicos pueden poseer muy altas energías, del orden de los exa electron voltios (EeV = 1018 eV). Para ayudar a entender las altísimas energías de las que estamos hablando, basta mencionar que el gran colisionador de hadrones (LHC) está preparando experimentos en el rango de los tera electron voltios  (TeV = 1012 eV). Cuando ésta radiación cósmica de muy alta energía choca contra las capas altas de la atmósfera terrestre, se producen cascadas de partículas secundarias que pueden llegar a alcanzar la superficie. Estas cascadas constan de unas 1010 partículas incluyendo protones, electrones, positrones, muones, etc. que se propagan a velocidades cercanas a la de la luz cubriendo áreas de unos 20 km2. Las partículas cargadas también excitan las moléculas de nitrógeno de nuestra atmósfera, produciendo luz fluorescente.

Figura 1: Flujo de rayos cósmicos en función de su energía. Para energías mayores de 1015 eV, solamente se espera una partícula por kilómetro cuadrado al año. Crédito:  S. Swordy via Wikimedia Commons

El Observatorio Pierre Augeren Argentina, está dedicado a detectar cascadas producidas por rayos cósmicos de alta energía. Consta de 1600 detectores repartidos en un área de unos 3000 km2 y una serie de telescopios que observan luz fluorescente emitida por las cascadas en noches claras. Cada detector contiene 12 toneladas de agua destilada ultra pura y tres fotomultiplicadores, que registran la llegada de partículas al detector. Con estos datos, los físicos y astrónomos pueden reconstruir la dirección de llegada del rayo cósmico original y su energía.

El problema es que como los rayos cósmicos están cargados, la dirección desde la que golpean nuestra atmósfera no apunta necesariamente al lugar donde se originaron, ya que los campos magnéticos desvían su trayectoria. Cuanto mayor sea la carga del rayo cósmico, más se desvía. Cuanto mayor sea la energía, menos se desvía. Por eso, en principio, la radiación cósmica de ultra alta energía estaría mejor equipada para estudiar de dónde provienen los rayos cósmicos, si bien la cantidad de eventos registrados a estas energías no es muy grande (ver figura 1).

Para explicar el origen de los rayos cósmicos, se han invocado onda de choque de explosiones de supernovaestrellas binarias de rayos-X, el agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia y núcleos activos de galaxias. Hoy día no hay pruebas concluyentes de que estos objetos astronómicos sean capaces de producir y acelerar los rayos cósmicos de más altas energías. Aunque ha habido intentos en el pasado de asociar direcciones de llegada de rayos cósmicos con algunos de estos objetos conocidos, los resultados no eran significativos y las estadísticas no eran muy buenas.

Sin embargo, el misterio de los rayos cósmicos de muy alta energía empieza a desvelarse. La colaboración Pierre Auger ha confirmado que estos rayos cósmicos provienen preferentemente de una vasta zona del universo. Para ello, han utilizado unas 30000 detecciones de rayos cósmicos con energías mayores que 8 EeV, registradas en los últimos 12 años. En el artículo que hoy analizamos, se publica un análisis de las direcciones de llegada que resulta en un área con un exceso de flujo de un 6.5%. Este resultado es muy robusto; su significancia es 5.2σ, o dicho de otra manera, ¡la probabilidad de encontrar el mismo resultado por casualidad es  tan sólo 0.000000026! Las coordenadas galácticas del centro de esta región son (l, b) = (233º, -13º), lejos del centro galáctico, por eso esta evidencia apunta a un origen extragaláctico de estos rayos cósmicos.

Figura 2 (Figura 3 del artículo original): Mapa del flujo de radiación cósmica en coordenadas galácticas. El color rojo marca el mayor flujo de radiación, que no coincide con el centro de nuestra galaxia representado en el centro del mapa. La cruz y los contornos muestran la zona en la que se ha detectado la anisotropía . El pequeño círculo muestra la supuesta dirección de llegada de rayos cósmicos inferida de la distribución de galaxias en el catálogo 2MRS. Las flechas indican cómo se desviarían los rayos cósmicos para un modelo del campo magnético de nuestra galaxias si la energía por partícula fuera 2 EeV y 5 EeV respectivamente.

No solamente la dirección de la anisotropía apunta a un origen extragaláctico, sino que su amplitud y la composición de los rayos cósmicos de ultra alta energía son incompatibles con un origen local en nuestra galaxia. Si el origen de estos rayos cósmicos tiene lugar, por tanto, en otras galaxias, podemos intentar identificar la anisotropía con alguna distribución conocida de galaxias en el universo local. Los autores recurren al catálogo de galaxias “2MASS Redshift Survey” y promedian las posiciones de las galaxias en esta muestra teniendo en cuenta su flujo. Encuentran que el centro de la distribución, presumiblemente, el centro de la anisotropía en la dirección de los rayos cósmicos, dista unos 55º del resultado de las observaciones (ver figura 2). En la figura 2, también se indica cómo se desviarían rayos cósmicos de cierta composición debido al campo magnético de nuestra galaxia. Es importante destacar que los autores solamente exploran esta posibilidad, pero no afirman que los rayos cósmicos observados provengan de dichas galaxias. Y es que en el campo de los rayos cósmicos de ultra alta energía, aún queda mucho trabajo por hacer.



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