Un equipo internacional de científicos acaba de demostrar, por primera vez, un flujo de partículas que escapa de un joven cúmulo de estrellas masivo de nuestra galaxia combinando datos del satélite Fermi de la NASA y de la red de telescopios terrestres H.E.S.S., ambos observadores de rayos gamma emitidos por fuentes astrofísicas.
Estos resultados,
publicados en Nature Communications, aportan una perspectiva novedosa sobre el papel de los cúmulos estelares en la aceleración de rayos cósmicos, participando en la redistribución de materia a escala galáctica y, por tanto, en la formación de nuevas estrellas.
Observación en infrarrojo, obtenida por el telescopio espacial James Webb; estrellas masivas y brillantes distinguidas con seis grandes picos de difracción así como el gas en rojo.
ESA/Webb, NASA & CSA, M. Zamani (ESA/Webb), M. G. Guarcello (INAF-OAPA) and the EWOCS team A más de 13.000 años luz de la Tierra, el cúmulo de estrellas Westerlund 1 ha estado en el radar de los astrofísicos durante décadas. Este cúmulo muy joven de la Vía Láctea -apenas 4 millones de años frente a los 4.500 millones de años del sol- concentra en un diámetro de solo seis años luz cientos de estrellas masivas*, cuya potencia combinada genera un potente viento de partículas elementales: rayos cósmicos.
Una colaboración entre el LP2iB y el Max-Planck Institut, basándose en una combinación de datos del satélite Fermi de la NASA y de la red de telescopios terrestres H.E.S.S., acaba de demostrar, por primera vez, que este viento de partículas cataclísmico logra escapar del cúmulo en forma de un flujo de partículas, que podría eventualmente salir del disco galáctico para alimentar el halo galáctico y participar así en la evolución química de la galaxia.
Se sabe desde hace tres años que Westerlund-1, que concentra el equivalente en masa a 100.000 soles, actúa como un acelerador de partículas natural contribuyendo a la aceleración de rayos cósmicos, compuestos principalmente de protones y una pequeña cantidad de núcleos más pesados pero también de electrones.
El descubrimiento por los telescopios H.E.S.S. en 2022 de una radiación gamma que engloba a Westerlund-1, con una energía cercana a los teraelectronvoltios (TeV), había revelado de hecho la presencia de electrones acelerados a velocidades vertiginosas en los márgenes exteriores del cúmulo por los vientos magnéticos colectivos de sus numerosas estrellas masivas.
Son en efecto los rayos gamma generados por la interacción entre los electrones y los fotones según un proceso denominado "difusión Compton inversa" los que son detectados indirectamente por la red de telescopios H.E.S.S., permitiendo a los científicos deducir la presencia de los rayos cósmicos. Pero una particularidad intrigaba a los investigadores: esta radiación no aparecía solo en forma de un anillo alrededor del cúmulo, sino también como una extensión en "cola", dirigida fuera del plano galáctico.
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Es en este contexto que trabajé con el Max-Planck Institut, explica Marianne Lemoine, investigadora del LP2I Bordeaux y autora principal del artículo
. Ellos deseaban que estudiara esta observación de H.E.S.S. a la luz de los datos del satélite Fermi, que también había observado fuentes gamma en las proximidades de Westerlund-1.
Efectivamente, Fermi detectó emisiones gamma en el dominio de los gigaelectronvoltios (GeV) en una región que se extiende mucho más allá del cúmulo, hasta varios cientos de años luz más allá. Entonces demostré que estas emisiones gamma no provenían de fuentes aisladas sino que debían entenderse como un único y mismo fenómeno. Que se trata de hecho de la prolongación de la radiación gamma detectada por H.E.S.S., escapando del cúmulo en forma de un flujo de partículas que se propaga en el medio interestelar a lo largo de más de 500 años luz".
Tras este análisis, el equipo del Max-Planck Institut se dedicó a modelizar los fenómenos en juego en este largo rastro de radiación. Según su modelo, los electrones acelerados en los márgenes del cúmulo son propulsados fuera de este perpendicularmente al plano de la galaxia, en dirección al halo galáctico. Los electrones más energéticos pierden rápidamente su energía y por tanto solo son visibles en las inmediaciones del cúmulo, donde producen la radiación gamma de alta energía (en el rango del TeV) detectada por H.E.S.S.
Más lejos del cúmulo, solo se detectan electrones que ya han perdido parte de su energía: son los que dan lugar a la emisión gamma más difusa observada por Fermi. Esta modelización del flujo de rayos cósmicos recibió una confirmación adicional cuando el estudio del gas interestelar en esta región de la galaxia reveló una zona empobrecida en materia, como si el flujo de electrones hubiera literalmente barrido la materia circundante.
Los electrones cósmicos son acelerados a nivel del choque terminal del viento cósmico (en rosa). Los electrones de alta energía pierden rápidamente su energía y emiten rayos gamma TeV medidos por H.E.S.S.. Los electrones de menor energía son transportados a lo largo del flujo saliente y generan rayos gamma GeV detectados por Fermi-LAT. "
Con H.E.S.S. y Fermi, solo podemos detectar indirectamente los electrones, que producen los rayos gamma. Los protones permanecen invisibles aquí, porque la región alrededor del cúmulo es muy pobre en materia: los protones solo pueden interactuar con otros protones, y a falta de blancos suficientes, no producen una señal detectable, añade Marianne Lemoine.
Ahora bien, es muy probable que este flujo, si lograra continuar su propagación hasta el halo galáctico, llegaría eventualmente a otras regiones del plano galáctico, contribuyendo así a la redistribución de materia en la Vía Láctea y por tanto a la formación de nuevas estrellas y nuevos cúmulos".
Este análisis combinado de los datos de Fermi y H.E.S.S. representa así un avance mayor para comprender cómo las galaxias se autorregulan y evolucionan con el tiempo. Las próximas observaciones del Observatorio CTAO, en construcción en Chile y en las Islas Canarias, permitirán determinar si Westerlund-1 constituye un caso único en la galaxia, o bien un modelo representativo de muchos otros cúmulos masivos en el Universo.
Nota:
* En las proximidades del sol, se encuentra en promedio menos de una estrella en el mismo volumen.
Fuente: CNRS IN2P3