Astrónomos sorprendidos por misteriosos rayos cósmicos de altísima energía: «¿Qué diablos está pasando?»

Sólo superada por la partícula Oh-My-God, la recién nombrada partícula Amaterasu profundiza el misterio del origen, la propagación y la física de partículas de raros rayos cósmicos de energía ultra alta.

En 1991, el experimento Fly’s Eye realizado por la Universidad de Utah reveló los rayos cósmicos de mayor energía jamás observados. Más tarde denominada partícula Oh Dios mío, la energía de los rayos cósmicos sorprendió a los astrofísicos. Nada en nuestra galaxia tenía la capacidad de producir eso, y la partícula tenía más energía de la que teóricamente era posible para los rayos cósmicos que viajaban a la Tierra desde otras galaxias. En pocas palabras, la partícula no debería estar allí.

Rompecabezas astronómicos

Desde entonces, el conjunto de telescopios ha detectado más de 30 rayos cósmicos de alta energía, aunque ninguno se acercó al nivel de energía. Ninguna observación ha revelado aún su origen ni cómo pudieron viajar a la Tierra.

Ilustración artística de rayos cósmicos altamente energéticos observados por el conjunto de detectores de superficie del Telescopio Array, llamados partículas Amaterasu. Fuente: Universidad Metropolitana de Osaka/L-Insight, Universidad de Kyoto/Ryuunosuke Takeshige

El 27 de mayo de 2021, el experimento Telescope Array detectó el segundo rayo cósmico de mayor energía. Tamaño 2,4 x 10²⁰Voltio, la energía de esta única partícula subatómica equivale a dejar caer una piedra sobre el dedo del pie desde la altura de la cintura. El conjunto de telescopios, liderado por la Universidad de Utah (U) y la Universidad de Tokio, consta de 507 estaciones de detección de superficie dispuestas en una cuadrícula que cubre 700 km.² (~270 millas²) en las afueras de Delta, Utah, en el desierto occidental del estado. Este evento activó 23 detectores en la región noroeste del conjunto de telescopios, repartidos en una distancia de 48 km.² (18,5 millas²). Su dirección de llegada parece haber sido desde el vacío local, una región vacía del espacio adyacente a vía Láctea galaxia.

«Las partículas tienen una energía muy alta y no deberían verse afectadas por los campos magnéticos galácticos y extragalácticos. Deberían poder señalar de dónde proceden en el cielo», dijo John Matthews, portavoz del Telescope Array de la Universidad de California y coautor del estudio, pero en el caso de la partícula Oh Dios mío y esta nueva partícula, se puede rastrear hasta su origen y no hay nada con suficiente energía para producirla. Ese es el secreto de esto: ¿qué diablos está pasando?

partícula amaterasu

En su nota publicada el 24 de noviembre de 2023 en la revista Ciencias, una colaboración internacional de investigadores describió rayos cósmicos de muy alta energía, evaluó sus propiedades y concluyó que fenómenos raros pueden seguir una física de partículas desconocida para la ciencia. Los investigadores la llamaron partícula Amaterasu, en honor a la diosa del sol en la mitología japonesa. Las partículas de Oh-My-God y Amaterasu fueron descubiertas utilizando diferentes técnicas de observación, lo que confirma que estos eventos de energía extremadamente alta, aunque raros, son reales.

Ilustración artística de la astronomía de rayos cósmicos ultraenergéticos para ilustrar fenómenos altamente energéticos en contraste con los rayos cósmicos más débiles afectados por campos electromagnéticos. Fuente: Universidad Metropolitana de Osaka/Universidad de Kyoto/Ryuunosuke Takeshige

«Estos eventos parecen provenir de lugares completamente diferentes en el cielo. No es como si hubiera una fuente misteriosa», dijo John Bales, profesor de la Universidad y coautor del estudio. «Podrían ser imperfecciones en la estructura de espacio-tiempo, colisiones de cuerdas cósmicas. Quiero decir, sólo estoy hablando de las ideas locas que se le ocurren a la gente porque no existe una explicación convencional.

Aceleradores de partículas naturales

Los rayos cósmicos son ecos de violentos acontecimientos celestes que despojaron la materia hasta su estructura subatómica y la arrojaron por todo el universo casi a la velocidad de la luz. Los rayos cósmicos son básicamente partículas cargadas con una amplia gama de energías formadas por protones positivos, electrones negativos o núcleos atómicos completos que viajan por el espacio y caen sobre la Tierra de forma casi continua.

Los rayos cósmicos golpean la atmósfera superior de la Tierra y explotan los núcleos de oxígeno y nitrógeno, generando muchas partículas secundarias. Estas partículas viajan una corta distancia hacia la atmósfera y repiten el proceso, creando una lluvia de miles de millones de partículas secundarias que se dispersan sobre la superficie. El área de esta lluvia secundaria es enorme y requiere que los detectores cubran un área tan grande como un conjunto de telescopios. Los detectores de superficie utilizan una combinación de dispositivos que proporcionan a los investigadores información sobre cada rayo cósmico; El tiempo de la señal muestra su trayectoria y la cantidad de partículas cargadas que golpean cada detector revela la energía de la partícula elemental.

Debido a que las partículas tienen carga, su trayectoria de vuelo se asemeja a la de una bola en una máquina de pinball mientras zigzaguea contra campos electromagnéticos a través del fondo cósmico de microondas. Es casi imposible rastrear la trayectoria de la mayoría de los rayos cósmicos, que se encuentran en el extremo bajo al medio del espectro energético. Incluso los rayos cósmicos de alta energía se ven distorsionados por el fondo de microondas. Las partículas que contienen la energía de Oh-My-God y Amaterasu atraviesan el espacio intergaláctico en una forma relativamente recta. Sólo los acontecimientos celestes más poderosos pueden producirlos.

«Las cosas que la gente piensa que están activas, como las supernovas, no tienen ni de lejos la energía suficiente para hacer eso. Necesitamos enormes cantidades de energía y campos magnéticos muy altos para confinar la partícula a medida que acelera», dijo Matthews.

El secreto de los rayos cósmicos ultraenergéticos

Los rayos cósmicos de alta energía deben superar los 5 x 10¹⁹ Voltio. Esto significa que una sola partícula subatómica lleva la misma energía cinética que la bola rápida de un jugador de las grandes ligas y tiene decenas de millones de veces más energía que la que podría alcanzar cualquier acelerador de partículas fabricado por el hombre. Los astrofísicos han calculado este límite teórico, conocido como límite de Gryssen-Zatsepian-Kuzmin (GZK), como la cantidad máxima de energía que un protón puede transportar mientras viaja largas distancias antes de que las interacciones de la radiación de fondo de microondas le quiten su energía. Las fuentes candidatas conocidas, como núcleos galácticos activos o agujeros negros con discos de acreción que emiten chorros de partículas, tienden a estar a más de 160 millones de años luz de la Tierra. La nueva partícula es 2,4×10²⁰ Un voltio y una partícula, oh Dios mío, 3,2 x 10²⁰ Volt supera fácilmente el límite.

Los investigadores también están analizando la composición de los rayos cósmicos en busca de pistas sobre sus orígenes. Las partículas más pesadas, como los núcleos de hierro, son más pesadas, tienen una mayor carga y es más probable que se doblen en un campo magnético que las partículas más ligeras formadas por protones de hidrógeno. maíz. Es probable que la nueva partícula sea un protón. La física de partículas dicta que un rayo cósmico con una energía que excede el límite de GZK es tan poderoso que el fondo de microondas no puede distorsionar su trayectoria, sino que su trayectoria apunta hacia el espacio vacío.

«Los campos magnéticos pueden ser más fuertes de lo que pensábamos, pero esto es inconsistente con otras observaciones que muestran que no son lo suficientemente fuertes como para producir una curvatura significativa a energías de 10 a 20 MeV», dijo Bales. «Es un verdadero misterio».

Ampliar la búsqueda y el conjunto de telescopios

el Conjunto de telescopios Está en una posición única para detectar rayos cósmicos de muy alta energía. Se encuentra a una altitud de unos 1.200 metros (4.000 pies), el punto de elevación ideal que permite que las partículas secundarias se desarrollen al máximo, pero antes de que comiencen a desintegrarse. Su ubicación en el desierto occidental de Utah proporciona condiciones climáticas ideales de dos maneras: el aire seco es fundamental porque la humedad absorberá la luz ultravioleta necesaria para la detección; Los cielos oscuros son necesarios porque la contaminación lumínica creará mucho ruido y bloqueará los rayos cósmicos.

Los astrofísicos todavía están desconcertados por este misterioso fenómeno. El conjunto de telescopios se encuentra en medio de un proceso de expansión que esperan ayude a resolver este problema. Una vez terminados, 500 nuevos detectores de centelleo ampliarán el conjunto del telescopio y tomarán muestras de lluvias de partículas generadas por rayos cósmicos a lo largo de 2.900 kilómetros.² (1100 millas² ), un área aproximadamente del tamaño del estado de Rhode Island. Es de esperar que la huella más grande capture más eventos que arrojen luz sobre lo que está sucediendo.

Para más información sobre este descubrimiento:

Referencia: “Un rayo cósmico extremadamente energético detectado por un conjunto de detectores de superficie” 23 de noviembre de 2023, Ciencias.
doi: 10.1126/ciencia.abo5095