provienen de galaxias lejanas
Pequeños, raros y desafiantes a la medida, los núcleos atómicos de fuera de la Vía Láctea son el foco de investigación intensa y costosa.
Michael Lucy informa
Un detector en el Observatorio Pierre Auger en Argentina, iluminado por la aurora y la Vía Láctea, con un diagrama de una cascada entrante de rayos cósmicos. Crédito de la imagen: PIERRE AUGER OBSERVATORY
La física de partículas es un juego de números. Ya sea en el caso de los atómicos terrestres como el Gran Colisionador de Hadrones en Suiza o en experimentos más alejados, como el Observatorio Pierre Auger en Argentina, los científicos instalan sus detectores y esperan a que ocurran colisiones de partículas o "eventos".
A medida que se acumula el número de eventos, empiezan a surgir patrones y probabilidades. Eventualmente, con suerte (y análisis estadístico sofisticado), ocurre lo suficiente para que los científicos confíen en que los patrones no son coincidencia, sino evidencia de una cosa rara y especial: un hecho nuevo sobre el mundo.
Uno de esos hechos, tal como se desprende de las sutiles irregularidades en 12 años de observaciones de los rayos cósmicos en Pierre Auger, es que la Tierra está continuamente regada por los núcleos de átomos de galaxias distantes.
La investigación encontró que los rayos cósmicos de alta energía - núcleos atómicos lanzados desde cataclismos estelares a una velocidad enorme - se distribuyen en un patrón irregular en el cielo, lo que confirma que provienen de galaxias más allá de la nuestra. Los resultados se publican en la revista Science. (Como suele ser el camino con los resultados de grandes proyectos colaborativos, el documento está escrito por unos 400 científicos de instituciones de todo el mundo).
Detecciones por telescopio y detectores terrestres, y reconstrucción de trayectoria, de un evento. Crédito de la imagen: PIERRE AUGER OBSERVATORY
Los rayos cósmicos son partículas que se mueven rápidamente que golpean la atmósfera de la Tierra y producen duchas de partículas secundarias que pueden ser detectadas a nivel del suelo.
Estos se mueven a velocidades asombrosas. El más rápido jamás registrado, la llamada partícula Oh-My-God observada en 1991, viajaba tan cerca de la velocidad de la luz que llevaba tanta energía cinética como una pelota de cricket moviéndose a 100 kilómetros por hora.
Esta energía extrema hace que el origen de los rayos cósmicos sea un misterio. La teoría es que las ondas de choque en el espacio producen intensos campos magnéticos que aceleran las partículas a alta velocidad.
Un lugar en el que se encontrarían las ondas de choque es en las supernovas, pero las estrellas que explotan no empacan el golpe suficiente para producir los rayos cósmicos de mayor energía. Para eso, necesitas algo más grande: las galaxias que chocan, tal vez, o los chorros intensamente brillantes, disparados desde los centros de algunas otras galaxias, conocidos como núcleos galácticos activos y que se cree que son alimentados por agujeros negros supermasivos.
Muchos rayos cósmicos son protones solos, pero algunos son núcleos atómicos más pesados. "Eso nos dice algo sobre el entorno del acelerador", dice Dawson, "pero los detalles aún no están claros".
Un paso importante en la elaboración de lo que produce las partículas es determinar de dónde vienen. La fijación de las fuentes no es una proeza. Por un lado, los rayos cósmicos de alta energía son raros (a energías superiores a 1019 electrónvoltios, por ejemplo, un kilómetro cuadrado de la superficie de la Tierra puede esperar ver sólo una partícula por año). Por otra parte, a diferencia de la luz, las partículas están cargadas eléctricamente, lo que significa que su recorrido es desviado por campos magnéticos en el espacio.
La localización de estos rayos cósmicos es lo que construyó el Observatorio Pierre Auger, un campo de 1600 detectores de partículas dispuestos en una rejilla hexagonal que cubre 3000 kilómetros cuadrados a la sombra de los Andes.
Cuando un rayo cósmico de alta energía choca con una molécula en la atmósfera, produce una lluvia de miles de millones de partículas subatómicas que caen en cascada en un disco en expansión que puede crecer hasta varios kilómetros de diámetro.
Para captar estas cascadas, Pierre Auger utiliza dos métodos: los detectores basados en tierra se complementan con telescopios que observan el aire por encima del observatorio para los flashes reveladores causados cuando una partícula de la cascada golpea una molécula de nitrógeno.
Una partícula entra en el detector, provocando un destello de radiación de Cherenkov que es recogido por los tres fotodetectores. Crédito de la imagen: PIERRE AUGER OBSERVATORY
Cada detector de partículas es un tanque grande de agua ultra-pura que registra las ráfagas de radiación de Cherenkov, el equivalente óptico de un auge sónico que se produce cuando una partícula viaja a través del tanque más rápido que la velocidad de la luz en el agua.
Con el análisis preciso del momento de los destellos de luz observados en los detectores y los telescopios, los investigadores pueden calcular la velocidad, masa y dirección del rayo cósmico que inició la cascada.
Pierre Auger comenzó a producir datos de alta calidad en 2004 y el nuevo estudio presenta un análisis de más de 30.000 rayos cósmicos de alta energía detectados entre 2004 y 2016. Los investigadores descubrieron que, aunque los rayos vienen de todas las direcciones en el cielo, están desigualmente distribuidas (o anisotrópicas).
La mayor intensidad de los rayos cósmicos parece provenir de una parte del cielo lejos del centro de la Vía Láctea que está cerca de una región en la que hay una alta densidad de otras galaxias. Cuando los investigadores tomaron en cuenta una estimación del efecto del campo magnético galáctico sobre los rayos cósmicos, encontraron que las partículas parecían venir aún más cerca de la región galáctica de alta densidad.
Esto confirma que las partículas que caen sobre nosotros no vienen de dentro de nuestra galaxia, y es consistente con la idea de que son arrojados por galaxias colisionando o los agujeros negros supermasivos que impulsan los núcleos galácticos activos.
El resultado tiene una significancia estadística de 5.2 sigma. (5 sigma a menudo se considera el valor umbral para un hallazgo genuino). Esto significa que la probabilidad de que el resultado sea un resultado del azar es alrededor de 1 en 5 millones.
El siguiente paso, dice Dawson, es reducir aún más los orígenes de los rayos cósmicos. Piensa que el amplio exceso en el cielo indica que las partículas tienen una gama de diferentes masas, lo que a su vez significa que tienen diferentes cargas eléctricas y son magnéticamente desviados por diferentes cantidades.
El Observatorio Pierre Auger está a punto de tener una actualización que prolongará su vida y mejorará la detección de masas de partículas, entre otras cosas.
"La verdadera esperanza", dice Dawson, "es que la actualización puede identificar protones en el rango de energía muy alta. Esperamos que los que viajan en líneas bastante rectas ". Esto significaría que apuntan más directamente a sus orígenes, y ayudar a identificar los tipos de galaxias que escupir a cabo.
Se espera que la actualización entre en línea a finales de 2018. Después de eso, será cuestión de sentarse y esperar a que los eventos lleguen.
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