Hace aproximadamente un siglo, los científicos comenzaron a darse cuenta de que parte de la radiación que detectamos en la atmósfera terrestre no es de origen local. Esto finalmente dio lugar al descubrimiento de rayos cósmicos, protones de alta energía y núcleos atómicos que han sido despojados de sus electrones y acelerados a velocidades relativistas (cercanas a la velocidad de la luz).
Sin embargo, todavía existen varios misterios en torno a este extraño (y potencialmente letal) fenómeno. Esto incluye preguntas sobre sus orígenes y cómo el componente principal de los rayos cósmicos (protones) se acelera a una velocidad tan alta.
Gracias a una nueva investigación dirigida por la Universidad de Nagoya, los científicos han cuantificado la cantidad de rayos cósmicos producidos en un remanente de supernova por primera vez. Esta investigación ha ayudado a resolver un misterio de 100 años y es un paso importante para determinar con precisión de dónde provienen los rayos cósmicos.
Si bien los científicos teorizan que los rayos cósmicos se originan en muchas fuentes – nuestro Sol, supernovas, estallidos de rayos gamma (GRB) y Núcleos Galácticos Activos (también conocidos como cuásares) – su origen exacto ha sido un misterio desde que fueron descubiertos por primera vez en 1912. De manera similar, los astrónomos han teorizado que los remanentes de supernovas (las secuelas de las explosiones de supernovas) son responsables de acelerarlos a casi la velocidad de la luz.
A medida que viajan a través de nuestra galaxia, los rayos cósmicos juegan un papel en la evolución química del medio interestelar (ISM). Como tal, comprender su origen es fundamental para comprender cómo evolucionan las galaxias. En los últimos años, las observaciones mejoradas han llevado a algunos científicos a especular que los remanentes de supernova dan lugar a rayos cósmicos porque los protones que aceleran interactúan con los protones en el ISM para crear rayos gamma de muy alta energía (VHE).
Sin embargo, los rayos gamma también son producidos por electrones que interactúan con fotones en el ISM, que pueden ser en forma de fotones infrarrojos o radiación del Fondo Cósmico de Microondas (CMB). Por lo tanto, determinar qué fuente es mayor es fundamental para determinar el origen de los rayos cósmicos. Con la esperanza de arrojar luz sobre esto, el equipo de investigación, que incluía a miembros de la Universidad de Nagoya, el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) y la Universidad de Adelaida, Australia, observó el remanente de supernova RX J1713.7? 3946 (RX J1713).
La clave de su investigación fue el enfoque novedoso que desarrollaron para cuantificar la fuente de rayos gamma en el espacio interestelar. Las observaciones pasadas han demostrado que la intensidad de los rayos gamma VHE causados por la colisión de protones con otros protones en el ISM es proporcional a la densidad del gas interestelar, que se puede discernir utilizando imágenes de línea de radio.
Por otro lado, también se espera que los rayos gamma causados por la interacción de electrones con fotones en el ISM sean proporcionales a la intensidad de los rayos X no térmicos de los electrones. Por el bien de su estudio, el equipo se basó en datos obtenidos por el Sistema Estereoscópico de Alta Energía (HESS), un observatorio de rayos gamma VHE ubicado en Namibia (y operado por el Instituto Max Planck de Física Nuclear).
Sin embargo, los rayos gamma también son producidos por electrones que interactúan con fotones en el ISM, que pueden ser en forma de fotones infrarrojos o radiación del Fondo Cósmico de Microondas (CMB). Por lo tanto, determinar qué fuente es mayor es fundamental para determinar el origen de los rayos cósmicos.
Con la esperanza de arrojar luz sobre esto, el equipo de investigación, que incluía a miembros de la Universidad de Nagoya, el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) y la Universidad de Adelaida, Australia, observó el remanente de supernova RX J1713.7? 3946 (RX J1713). La clave de su investigación fue el enfoque novedoso que desarrollaron para cuantificar la fuente de rayos gamma en el espacio interestelar.
Las observaciones pasadas han demostrado que la intensidad de los rayos gamma VHE causados por la colisión de protones con otros protones en el ISM es proporcional a la densidad del gas interestelar, que se puede discernir utilizando imágenes de línea de radio. Por otro lado, también se espera que los rayos gamma causados por la interacción de electrones con fotones en el ISM sean proporcionales a la intensidad de los rayos X no térmicos de los electrones.
Por el bien de su estudio, el equipo se basó en datos obtenidos por el Sistema Estereoscópico de Alta Energía (HESS), un observatorio de rayos gamma VHE ubicado en Namibia (y operado por el Instituto Max Planck de Física Nuclear). Luego combinaron esto con datos de rayos X obtenidos por el observatorio de la Misión de Espejos Múltiples de Rayos X (XMM-Newton) de la ESA y datos sobre la distribución de gas en el medio interestelar. Luego combinaron los tres conjuntos de datos y determinaron que los protones representan el 67 ± 8% de los rayos cósmicos, mientras que los electrones de los rayos cósmicos representan el 33 ± 8%, aproximadamente una división de 70/30.
Estos hallazgos son revolucionarios ya que son la primera vez que se cuantifican los posibles orígenes de los rayos cósmicos. También constituyen la evidencia más definitiva hasta la fecha de que los remanentes de supernovas son la fuente de rayos cósmicos.
Estos resultados también demuestran que los rayos gamma de los protones son más comunes en las regiones interestelares ricas en gas, mientras que los causados por los electrones aumentan en las regiones pobres en gas. Esto respalda lo que muchos investigadores han predicho, que es que los dos mecanismos trabajan juntos para influir en la evolución del ISM.
Dijo el profesor emérito Yasuo Fukui, quien fue el autor principal del estudio: “Este nuevo método no podría haberse logrado sin colaboraciones internacionales. Se aplicará a más remanentes de supernovas utilizando el telescopio de rayos gamma de próxima generación CTA (Cherenkov Telescope Array ) además de los observatorios existentes, lo que avanzará enormemente en el estudio del origen de los rayos cósmicos”.
Además de liderar este proyecto, Fukui ha estado trabajando para cuantificar la distribución de gas interestelar desde 2003 utilizando el radiotelescopio NANTEN en el Observatorio Las Campanas en Chile y el Australia Telescope Compact Array. Gracias al profesor Gavin Rowell y a la Dra. Sabrina Einecke de la Universidad de Adelaide (coautores del estudio) y al H.E.S.S. equipo, la resolución espacial y la sensibilidad de los observatorios de rayos gamma finalmente han alcanzado el punto en el que es posible establecer comparaciones entre los dos.
Mientras tanto, el coautor Dr. Hidetoshi Sano de la NAOJ dirigió el análisis de conjuntos de datos de archivo del observatorio XMM-Newton. En este sentido, este estudio también muestra cómo las colaboraciones internacionales y el intercambio de datos están permitiendo todo tipo de investigación de vanguardia. Junto con instrumentos mejorados, métodos mejorados y mayores oportunidades de cooperación están llevando a una era en la que los avances astronómicos se están convirtiendo en algo habitual.
Fuente: Universe Today.
