Un rayo cósmico extremadamente potente golpeó la Tierra, pero no sabemos su origen

Un rayo cósmico que impactó la atmósfera terrestre ha dejado boquiabiertos a los astrofísicos.

Interpretación artística del rayo cósmico extremadamente energético observado por una matriz de detectores de superficie del experimento Telescopio Array. Crédito: Universidad Metropolitana de Osaka/L-INSIGHT, Universidad de Kioto/Ryuunosuke Takeshige.

En 1991, el experimento Ojo de Mosca de la Universidad de Utah detectó el rayo cósmico de mayor energía jamás observado. Más tarde denominada la partícula «Oh-My-God» (del inglés ¡Oh dios mío!), la energía del rayo cósmico dejó impactados a los astrofísicos. Nada en nuestra galaxia tenía el poder de producirla, y la partícula tenía más energía de la teóricamente posible para los rayos cósmicos provenientes de otras galaxias. En resumen, la partícula no debería existir.

Desde entonces, el Proyecto Telescope Array —una colaboración internacional que involucra instituciones de investigación y educativas en Japón, Estados Unidos, Rusia, Corea del Sur y Bélgica—, ha observado más de 30 rayos cósmicos de ultra alta energía, aunque ninguno se acercaba a la energía de la partícula Oh-My-God...

El 27 de mayo de 2021, empero, el proyecto detectó el segundo rayo cósmico de extrema alta energía. Con 2.4 x 1020eV, la energía de esta sola partícula subatómica equivale a dejar caer un ladrillo en el dedo del pie desde la altura de la cintura.

Origen misterioso

Liderado por la Universidad de Utah (THEU) y la Universidad de Tokio, el Telescopio Array consta de 507 estaciones de detección en superficie dispuestas en una cuadrícula que cubre 700 km² en las afueras de Delta, Utah, en el desierto del oeste del estado. El evento activó 23 detectores en la región noroeste, abarcando 48 km². Su dirección de llegada parecía ser desde el Vacío Local —un área vacía del espacio que bordea la galaxia Vía Láctea—.

Los detectores de superficie siendo desplegados por un helicóptero. Crédito: Universidad de Tokio.

«Las partículas tienen una energía tan alta que no deberían verse afectadas por campos magnéticos galácticos y extragalácticos. Deberías poder señalar de dónde vienen en el cielo», dijo John Matthews, co-portavoz del Telescopio Array en THEU y coautor del estudio. «Pero en el caso de la partícula Oh-My-God y esta nueva partícula, trazas su trayectoria hasta su origen y no hay nada con suficiente energía alta como para haberla producido. Esa es la incógnita de esto, ¿qué diablos está pasando?»

En su observación publicada este 23 de noviembre de 2023 en la revista Science, la colaboración internacional del Telescopio Array describe el rayo cósmico de ultra alta energía, evalúa sus características y concluye que este fenómeno poco común podría seguir una física de partículas desconocida para la ciencia.

La señal grabada y la animación del evento de la partícula extremadamente energética, apodada «Amaterasu». Crédito: Universidad Metropolitana de Osaka.

Los investigadores la denominaron la partícula Amaterasu en honor a la diosa del sol en la mitología japonesa. Se detectaron las partículas Oh-My-God y Amaterasu utilizando técnicas de observación diferentes, confirmando que —aunque raros— estos eventos de ultra alta energía son reales.

«Estos eventos parecen venir de lugares completamente diferentes en el cielo. No es como si hubiera una fuente misteriosa», señaló John Belz, profesor en THEU y coautor del estudio. «Podrían ser defectos en la estructura del espacio-tiempo, cuerdas cósmicas colisionando. Quiero decir, estoy tirando ideas locas que la gente está proponiendo porque no hay una explicación convencional».

¿Qué son los rayos cósmicos?

Los rayos cósmicos son ecos de eventos celestiales violentos que han despojado la materia a sus estructuras subatómicas y la han arrojado a través del universo a casi la velocidad de la luz. Esencialmente, los rayos cósmicos son partículas cargadas con una amplia gama de energías que consisten en protones positivos, electrones negativos o núcleos atómicos enteros que viajan por el espacio y caen sobre la Tierra casi constantemente.

Los rayos cósmicos golpean la atmósfera superior de la Tierra y desintegran el núcleo del gas oxígeno y nitrógeno, generando muchas partículas secundarias. Estas viajan una corta distancia en la atmósfera y repiten el proceso, formando una lluvia de miles de millones de partículas secundarias que se dispersan hacia la superficie. La huella de esta lluvia secundaria es masiva y requiere que los detectores cubran un área tan grande como el Telescopio Array. Los detectores de superficie utilizan una serie de instrumentos 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 llegan a cada detector revela la energía de la partícula primaria—.

Interpretación artística de la astronomía de rayos cósmicos de ultra alta energía para esclarecer fenómenos extremadamente energéticos. Crédito: Universidad Metropolitana de Osaka/Universidad de Kioto/Ryuunosuke Takeshige.

Debido a que las partículas tienen carga, su trayectoria de vuelo se asemeja a una bola en una máquina de pinball mientras zigzaguean contra los 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 o medio del espectro de energía. Incluso los rayos cósmicos de alta energía se distorsionan debido al fondo de microondas. Las partículas con energía Oh-My-God y Amaterasu atraviesan el espacio intergaláctico relativamente sin curvarse. Solo los eventos celestiales más poderosos pueden producirlos.

«Lo que la gente considera energético, como las supernovas, está lejos de ser lo suficientemente energético para esto. Se necesitan enormes cantidades de energía, campos magnéticos realmente altos para confinar la partícula mientras se acelera», explicó Matthews.

Límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin

Los rayos cósmicos de ultra alta energía deben superar los 5 x 1019 eV. Esto significa que una sola partícula subatómica lleva la misma energía cinética que un lanzamiento rápido de un jugador de las ligas mayores de béisbol y tiene decenas de millones de veces más energía que cualquier acelerador de partículas hecho por el ser humano puede lograr.

Los astrofísicos calcularon este límite teórico, conocido como límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK), como la energía máxima que puede tener un protón viajando largas distancias antes de que los efectos de las interacciones con la radiación de fondo de microondas agoten su energía. Los candidatos conocidos como fuentes, como los núcleos galácticos activos o agujeros negros con discos de acreción emitiendo chorros de partículas, tienden a estar a más de 160 millones de años luz de distancia de la Tierra. La energía de la nueva partícula de 2.4 x 1020 eV y la del rayo cósmico Oh-My-God de 3.2 x 1020 eV superan fácilmente el límite.

Los investigadores también analizan la composición de los rayos cósmicos en busca de pistas sobre sus orígenes. Una partícula más pesada, como los núcleos de hierro, es más pesada, tiene más carga y es más susceptible a doblarse en un campo magnético que una partícula más ligera compuesta por protones de un átomo de hidrógeno. Es probable que la nueva partícula sea un protón. La física de partículas indica que un rayo cósmico con energía más allá del límite GZK es demasiado poderoso para que el fondo de microondas distorsione su trayectoria, pero al retroceder su trayectoria apunta hacia el espacio vacío.

«Tal vez los campos magnéticos sean más fuertes de lo que pensábamos, pero eso va en contra de otras observaciones que muestran que no son lo suficientemente fuertes como para producir una curvatura significativa a estas energías de diez a la vigésima electrón voltios», dijo Belz. «Es un verdadero misterio».

Fuente: THEU. Edición: MP.