Los rayos cósmicos ultraenergéticos tienen origen extragaláctico

Este descubrimiento de científicos que integran la colaboración Pierre Auger –entre ellos investigadores de São Paulo, Brasil, con el apoyo de la FAPESP– aparece descrito en un artículo de la revista Science

Por Elton Alisson  |  Agência FAPESP – Científicos que toman parte en la colaboración Pierre Auger, el mayor observatorio del mundo dedicado al estudio y a la detección de rayos cósmicos, ubicado en la provincia de Mendoza, en Argentina, descubrieron que por arriba de un determinado nivel de energía, las referidas partículas, que son las más energéticas que existen en la naturaleza y que llegan constantemente a la atmósfera terrestre, tienen origen extragaláctico.

Este descubrimiento aparece descrito en un artículo que la colaboración publicó el pasado 22 de septiembre en la revista Science. Toman parte en dicho proyecto alrededor 500 científicos, provenientes de los 17 países miembros, entre ellos 30 de Brasil.

La participación de los investigadores vinculados a universidades e instituciones de investigación del estado brasileño de São Paulo en la referida colaboración cuenta con el apoyo de la FAPESP. En tanto, la participación de científicos de otros estados brasileños es financiada por otras agencias de fomento de la investigación científica estaduales y federales (lea más sobre la participación brasileña en el Observatorio Pierre Auger en: agencia.fapesp.br/20964).

“La probabilidad de que esta conclusión sea fruto del azar es de dos en 100 millones”, le dijo Carola Dobrigkeit Chinellato, docente del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (IFGW-Unicamp) y presidenta de la comisión brasileña en el Observatorio Pierre Auger, a Victoria Florio, en entrevista concedida a la revista Pesquisa FAPESP.

Con base en estos datos registrados por el Observatorio entre enero de 2004 y agosto de 2016, los investigadores observaron que los rayos cósmicos ultraenergéticos –de más de 8 veces 10¹⁸ electronvoltios (eV)– llegan en mayor número a la Tierra provenientes de un lado del cielo.

Esa región del cielo de donde proviene la mayor cantidad de rayos cósmicos ultraenergéticos coincide con la localización de gran parte de las galaxias vecinas a la Vía Láctea, en un radio de hasta 700 mil años luz.

“Esto constituye una fuerte evidencia de que los rayos cósmicos de altas energías provienen de fuera de la Vía Láctea”, dijo Dobrigkeit Chinellato.

Partículas raras

De acuerdo con los investigadores participantes en la colaboración, este descubrimiento contribuye no solamente para dilucidar el origen de esas partículas ultraenergéticas, sino también para entender los mecanismos cósmicos capaces de imprimirles tamaña energía a esas diminutas entidades subatómicas, que pueden viajar a distancias de billones de kilómetros (años luz) a través del espacio y llegar a la Tierra cargando energías extremas.

Los rayos cósmicos, núcleos atómicos livianos como el del hidrógeno o pesados como el del hierro, llegan a la Terra provenientes del espacio constantemente.

Con todo, el flujo de estas partículas subatómicas hacia la Terra disminuye abruptamente a medida que su energía aumenta. Las de energía superior a 10¹⁸ eV, denominadas ultraenergéticas, como las que los investigadores detectaron ahora, aparecen en la Tierra con una frecuencia igual a una partícula por kilómetro cuadrado (km²) por año.

Por este motivo, el origen y los mecanismos cósmicos de producción de estos rayos cósmicos ultraenergéticos, conocidos desde hace más de 50 años, siguen constituyendo un misterio.

Con el fin de detectar indicios del origen de estas partículas subatómicas de más alta energía, los investigadores miembros de la colaboración Auger han venido estudiando la distribución de sus direcciones de llegada a la Tierra.

Al llegar a la atmósfera terrestre, a entre 10 km y 20 km de altura aproximadamente, los rayos cósmicos ultraenergéticos entran en colisión con núcleos atómicos del aire, de nitrógeno y de oxígeno.

Esas colisiones generan centenas o miles de otras partículas que avanzan rumbo al suelo, casi a la velocidad de la luz (de alrededor de 300 mil km por segundo), en la forma de cascadas de partículas que tienen el nombre “lluvia atmosférica extendida”.

Las partículas cargadas en la lluvia excitan a las moléculas de nitrógeno presentes en el aire, produciendo una tenue luz azul, que es captada por los telescopios de fluorescencia del Observatorio Pierre Auger durante las noches claras.

Dichas partículas también son registradas por los 1.660 detectores de superficie del observatorio, cuyo nombre es un homenaje al físico francés Pierre Auger (1899-1992).

Distribuidos por un área de 3.000 km², en una zona plana al lado de los Andes, dichos detectores, que operan ininterrumpidamente, son tanques de polietileno que contienen 12 mil litros de agua ultrapurificada y que están provistos de sensores fotomultiplicadores.

Cuando las partículas de una lluvia atmosférica atraviesan el agua que está en el interior de un tanque se emite una luz –la llamada radiación de Cherenkov– que puede medirse con los sensores.

Con base en el análisis de esos dos tipos de luz, entre otros datos, es posible extraer diversas informaciones sobre el rayo cósmico (denominado primario) que inició la cascada de partículas en lo alto de la atmósfera.

Puede leerse el artículo intitulado Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 × 10¹⁸ eV (doi: 10.1126/science.aan4338), de la colaboración Pierre Auger, en la revista Science, en el siguiente enlace: science.sciencemag.org/content/357/6357/1266.

(Con información del Núcleo de Comunicación Social del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas - CBPF)