La reconexión magnética maximizada por turbulencia explica la formación de rayos cósmicos superenergéticos

Un estudio llevado a cabo en la Universidad de São Paulo simuló este fenómeno y salió destacado en la revista Nature Astronomy

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Los rayos cósmicos llegan a la Tierra permanentemente. Estas partículas provenientes del espacio exterior pueden tener su origen en el Sol, en otras regiones de la Vía Láctea o en galaxias lejanas. Y hay también rayos cósmicos que se forman en la propia atmósfera terrestre debido a la interacción de las partículas que vienen de lejos con la materia local. Con respecto a los rayos cósmicos de energías menores, de hasta 10¹¹ electronvoltios (eV), la frecuencia es de uno por metro cuadrado por segundo. Pero existen rayos cósmicos de energías extremadamente altas, que pueden llegar a 10²⁰ eV. Estos son mucho más raros y aparecen con una frecuencia de uno por kilómetro cuadrado por siglo. Para hacerse una idea de qué significan 10²⁰ eV, basta decir que en el LHC (Large Hadron Collider), el mayor colisionador de partículas de la actualidad, el máximo de energía que se le imprime a una partícula es del orden de 10¹³ eV. Esto significa que los rayos cósmicos de energía extremadamente alta son hasta 10 millones de veces más energéticos.

El modelo estándar para explicar la aceleración de las partículas de energías menores se vale de ondas de choque. Impelidas por el frente de onda, las mismas sufren sucesivas colisiones y se aceleraran cada vez más. Pero este modelo parece no funcionar para las partículas de energías extremadamente altas. En estos casos, se hace necesario encontrar una explicación alternativa. Un estudio en el cual se aborda este tema –específicamente, la aceleración de partículas en chorros relativistas de núcleos activos de galaxias– salió publicado en el Astrophysical Journal, en un artículo de científicos de la Universidad de São Paulo (USP), en Brasil. Y tuvo una recepción tan favorable que apareció destacado en la sección Research Highlights (Destacados de Investigaciones) de la revista Nature Astronomy.

Dicho trabajo, intitulado “Particle Acceleration by Magnetic Reconnection in Relativistic Jets: The Transition from Small to Large Scales”, se concretó en el Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la USP (IAG-USP) y estuvo a cargo de Tania Medina Torrejón y su en ese entonces directora de tesis doctoral, Elisabete de Gouveia Dal Pino. Y contó con la participación de Grzegorz Kowal, de la Escuela de Artes, Ciencias y Humanidades de la USP (EACH-USP). La investigación tuvo el apoyo de la FAPESP en el marco de cuatro proyectos (13/10559-5, 19/03301-8, 21/06502-4 y 09/54006-4).

“Mediante simulación computacional, verificamos que la aceleración de las partículas en chorros de núcleos activos de galaxias es causada por reconexión magnética y maximizada por efectos de turbulencia”, le comenta De Gouveia Dal Pino a Agência FAPESP.

A causa de la rotación del disco de acreción formado por la materia que colapsa en el agujero negro existente en el núcleo activo de la galaxia y también al espín del mismo, los chorros que el agujero negro rebate en ambos sentidos de la dirección ortogonal al disco están dotados de campos magnéticos helicoidales. En el estudio se consideró una fracción del chorro cercana al agujero negro y se inyectaron en ella las partículas de prueba.

Como las líneas de campo con polaridades opuestas se atraen, esto produce una incesante reconfiguración del campo. Las partículas se aceleran en los lugares de reconexión magnética principalmente mediante el denominado “proceso de Fermi”, en forma análoga a lo que sucede en la aceleración por ondas de choque.

“Con Alex Lazarian, científico de la Universidad de Wisconsin [Estados Unidos], propusimos por primera vez esta explicación en el año 2005. En este proceso, las partículas aprisionadas entre las líneas de campo magnético que sufren reconexión colisionan varias veces con fluctuaciones magnéticas. Esto genera la aceleración y el crecimiento exponencial de la energía de esas partículas. En el chorro, las turbulencias en el interior del flujo, que distorsionan las líneas de fuerza, crean puntos de una reconexión cada vez más rápida. Las partículas, aceleradas en esas regiones de reconexión a través de las líneas de campo, alcanzan velocidades muy cercanas a la de la luz”, detalla De Gouveia Dal Pino.

La aceleración por reconexión puede explicar el surgimiento de los fenómenos más energéticos observados en los chorros de núcleos activos de galaxias, con la emisión de rayos gamma y neutrinos.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Particle Acceleration by Magnetic Reconnection in Relativistic Jets: The Transition from Small to Large Scales en el siguiente enlace: iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acd699.