Partículas cósmicas con una energía fenomenal llevan décadas intrigando a los científicos. Una nueva teoría podría finalmente revelar su origen.
Los rayos cósmicos de ultra alta energía (UHECR) superan en potencia todo lo que el ser humano puede producir en laboratorio. Su descubrimiento se remonta a más de 60 años, pero su procedencia exacta sigue siendo un misterio. Glennys Farrar, física de la
Universidad de Nueva York, propone una explicación inédita relacionada con las fusiones de estrellas de neutrones.
Según la teoría de Farrar, estas partículas serían aceleradas en los flujos magnéticos turbulentos resultantes de la fusión de estrellas de neutrones. Este proceso, que precede a la formación de un agujero negro, también genera ondas gravitacionales. Estas últimas ya han sido detectadas por las colaboraciones LIGO-Virgo, ofreciendo una pista de validación.
La teoría explica dos características enigmáticas de los UHECR: su energía extrema y la correlación entre esta energía y su carga eléctrica. Sugiere que las partículas más energéticas provienen de elementos raros, como el xenón o el telurio, formados durante estas fusiones.
Este avance abre nuevas perspectivas para la investigación cósmica. Relaciona fenómenos astrofísicos mayores, como los estallidos de rayos gamma cortos, con la producción de elementos raros. Futuras observaciones podrían confirmar este modelo, buscando neutrinos de muy alta energía asociados a las ondas gravitacionales.
El estudio, publicado en
Physical Review Letters, se basa en simulaciones computacionales avanzadas. Muestra cómo los campos magnéticos, amplificados durante la fusión, pueden estructurar chorros capaces de acelerar los UHECR. Estos trabajos se apoyan en datos recopilados por diversos observatorios alrededor del mundo.
Estas imágenes muestran la fusión de dos estrellas de neutrones simulada con un nuevo modelo en supercomputadora. Los colores rojos indican las zonas de menor densidad. Las cintas y líneas verdes y blancas representan los campos magnéticos. Las estrellas pierden rápidamente energía por ondas gravitacionales y se fusionan en menos de 8 milisegundos. El campo magnético entonces se amplifica y desorganiza. Se forma un agujero negro, y el campo magnético se vuelve más estructurado, pudiendo sostener los chorros responsables de los estallidos de rayos gamma cortos.
Crédito: NASA/AEI/ZIB/M. Koppitz and L. Rezzolla.
Farrar destaca la importancia de este descubrimiento para comprender el universo. Ofrece un marco teórico comprobable, que podría unificar varios campos de la astrofísica. Los próximos años serán cruciales para validar o refutar esta hipótesis, con la mejora de los detectores de ondas gravitacionales y rayos cósmicos.
¿Cómo producen las fusiones de estrellas de neutrones elementos raros?
Las fusiones de estrellas de neutrones son fábricas cósmicas que producen elementos raros y pesados como el oro o el platino. Este proceso, llamado captura rápida de neutrones (proceso r), ocurre en condiciones extremas de densidad y temperatura.
Durante la fusión, se liberan neutrones en gran cantidad que son capturados por núcleos atómicos. Esto conduce a la formación de isótopos inestables que luego se desintegran en elementos estables. Estas reacciones nucleares son tan rápidas que no pueden ocurrir en estrellas ordinarias.
Los elementos así creados son luego dispersados en el espacio por las ondas de choque de la fusión. Enriquecen el medio interestelar, contribuyendo a la composición química de futuras generaciones de estrellas y planetas. Este mecanismo explica por qué estos elementos son relativamente raros en el universo.
¿Qué papel juegan los campos magnéticos en las fusiones de estrellas de neutrones?
Los campos magnéticos juegan un papel clave en las fusiones de estrellas de neutrones. Inicialmente, cada estrella posee su propio campo magnético, a menudo muy intenso. Durante la fusión, estos campos se entrelazan y amplifican por efecto de la turbulencia.
Esta amplificación puede alcanzar niveles extremos, creando estructuras magnéticas complejas. Estas estructuras son capaces de acelerar partículas a energías fenomenales, como los UHECR. También pueden canalizar parte de la energía de la fusión en forma de chorros, responsables de los estallidos de rayos gamma cortos.
Tras la formación del agujero negro, el campo magnético se reorganiza alrededor de este. Las simulaciones numéricas recientes permiten comprender mejor estos procesos dinámicos y sus firmas observables.
Fuente: Physical Review Letters