Cada segundo, sin que lo sepas, billones de partículas invisibles atraviesan tu cuerpo. Estos objetos cósmicos recorren el Universo desde fuentes lejanas, viajando a velocidades prodigiosas. Durante más de un siglo, los científicos han buscado entender de dónde vienen estas partículas y qué les da una energía tan extraordinaria.
Los rayos cósmicos son partículas extremadamente energéticas que viajan por el espacio a una velocidad cercana a la de la luz. Descubiertos en 1912, provienen de diferentes regiones de nuestra galaxia y más allá, pero sus orígenes precisos han permanecido largamente esquivos. Un equipo de la Universidad Estatal de Míchigan, dirigido por Shuo Zhang, aporta hoy nuevas respuestas a este enigma cósmico. Sus investigaciones recientes, presentadas en un congreso de astronomía, exploran los aceleradores naturales que impulsan estas partículas a energías inimaginables.
Estas partículas energéticas nacen en entornos cósmicos extremos como los agujeros negros, los restos de supernova o las regiones de formación estelar. Estos fenómenos astrofísicos producen también neutrinos, partículas casi sin masa que atraviesan libremente la materia, incluyendo tu cuerpo.
Shuo Zhang subraya así que estas radiaciones nos conciernen directamente: cada segundo, aproximadamente cien billones de neutrinos cósmicos atraviesan nuestro cuerpo sin que tengamos conciencia de ello. Esta omnipresencia plantea naturalmente la pregunta de su procedencia y de los mecanismos que los generan.
Las fuentes de rayos cósmicos funcionan como aceleradores naturales mucho más potentes que los construidos por el hombre. El equipo de investigación se concentra en estos "PeVatrones", aceleradores cósmicos capaces de impulsar protones y electrones a energías fenomenales. Entender su funcionamiento podría iluminar cuestiones fundamentales sobre la evolución de las galaxias y la naturaleza de la materia oscura. Estas investigaciones abren perspectivas nuevas para explorar los mecanismos de aceleración de partículas en el Universo.
Imagen en rayos X de una nebulosa de viento de púlsar recién descubierta, asociada a una fuente extrema de rayos cósmicos galácticos, obtenida por el telescopio espacial XMM-Newton.
Crédito: Telescopio espacial XMM-Newton
En un primer estudio publicado en
The Astrophysical Journal, Stephen DiKerby examinó un candidato a PeVatron detectado por el observatorio LHAASO. Analizando datos del telescopio XMM-Newton, identificó una nebulosa de viento de púlsar - una burbuja en expansión que contiene electrones relativistas alimentados por un púlsar. Este descubrimiento permitió clasificar esta fuente como un tipo específico de acelerador cósmico, marcando una etapa importante en la identificación de los orígenes de los rayos cósmicos.
Tres estudiantes de pregrado contribuyeron a una segunda investigación utilizando el telescopio espacial Swift de la NASA. Su trabajo permitió establecer límites superiores para las emisiones de rayos X provenientes de fuentes cósmicas poco exploradas. Estos resultados servirán de base para estudios futuros y contribuirán a la elaboración de un catálogo completo de las fuentes de rayos cósmicos. Este catálogo se convertirá en un recurso valioso para los observatorios de neutrinos y los telescopios tradicionales.
El equipo prepara ahora un nuevo estudio combinando los datos del observatorio de neutrinos IceCube con los de los telescopios de rayos X y gamma. Buscan entender por qué algunas fuentes cósmicas emiten neutrinos mientras que otras no los producen, e identificar las condiciones de producción de estas partículas. Este enfoque colaborativo entre físicos de partículas y astrónomos representa un avance metodológico prometedor para descifrar los secretos de los aceleradores cósmicos.
Los neutrinos, mensajeros cósmicos
Los neutrinos son partículas elementales que atraviesan el Universo casi sin interactuar con la materia. Su masa es tan débil que durante mucho tiempo se consideró nula, y se desplazan a velocidades cercanas a la de la luz. A diferencia de los rayos cósmicos cargados eléctricamente que son desviados por los campos magnéticos galácticos, los neutrinos viajan en línea recta desde su fuente, lo que los convierte en mensajeros ideales para localizar los aceleradores cósmicos.
Estas partículas se producen en reacciones nucleares y procesos de desintegración radiactiva que ocurren en el corazón de las estrellas, durante explosiones de supernova, o en los entornos extremos que rodean a los agujeros negros. Su detección en la Tierra requiere instrumentos particularmente sensibles, como el observatorio IceCube enterrado en el hielo de la Antártida, capaz de capturar las muy raras interacciones de los neutrinos con la materia.
La relación entre los neutrinos y los rayos cósmicos es particularmente interesante para los astrofísicos. Cuando protones o núcleos atómicos son acelerados a alta energía y entran en colisión con la materia o la radiación circundante, producen neutrinos entre otras partículas. La detección simultánea de neutrinos y rayos cósmicos provenientes de una misma dirección del cielo permite por tanto identificar con precisión las fuentes cósmicas activas.
El estudio de los neutrinos cósmicos abre una nueva ventana de observación sobre el Universo, complementaria a las observaciones electromagnéticas tradicionales. Rastreando estas partículas esquivas, los científicos pueden sondear regiones cósmicas de otro modo inaccesibles, como el interior de las estrellas o los alrededores inmediatos de los agujeros negros, ofreciéndonos así una visión más completa de los procesos energéticos que animan el cosmos.
Fuente: The Astrophysical Journal