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FÍSICA

El origen de los rayos cósmicos

Un estudio indica con mayor precisión que esas partículas ultraenergéticas provienen del exterior de la Vía Láctea

Representación de partículas derivadas de rayos cósmicos cayendo sobre uno de los tanques del Observatorio Pierre Auger, en Argentina

A. Chantelauze/S.Staffi/L.Bret

Las partículas con las más altas energías de la naturaleza pueden observarse en los rayos cósmicos. Algunas de ellas son millones de veces más energéticas que las generadas en los aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés). Los rayos cósmicos son núcleos atómicos conformados por protones y neutrones, que viajan por el espacio a velocidades cercanas a la de la luz. Pueden ser núcleos livianos, como los del hidrógeno, el elemento más abundante del universo, o pesados, como los del hierro. Se puede obtener pistas sobre el origen de los rayos cósmicos ultraenergéticos a partir del análisis de sus sitios de arribo a la Tierra. Al ingresar a la atmósfera del planeta, los rayos cósmicos colisionan con los núcleos de nitrógeno y oxígeno del aire. Las avalanchas de partículas resultantes de esos encontronazos llegan a la superficie de la Tierra. A este fenómeno se lo conoce con el nombre de cascada atmosférica o lluvia de partículas. Durante 13 años, los científicos del Observatorio Pierre Auger, que está instalado en la provincia de Mendoza, en Argentina, estudiaron las partículas provenientes de esas lluvias para rastrear el origen de más de 30 mil rayos cósmicos con energías superiores a 8 exaelectronvoltios, es decir, 8 x 1018 electronvoltios. El trabajo surgido de esa colaboración, publicado el 22 de septiembre en la revista Science, indica que la mayor parte de esa radiación es originaria de otras galaxias distintas a la Vía Láctea.

“Este resultado es un fuerte indicio de la naturaleza extragaláctica de los rayos cósmicos ultraenergéticos”, comenta la física Carola Dobrigkeit Chinellato, de la Universidad de Campinas (Unicamp), líder del grupo brasileño en el Pierre Auger, que reúne a algo más de 400 investigadores provenientes de 18 países. “La posibilidad de que esa conclusión sea fruto del azar es de dos en 100 millones, algo equivalente a que una persona acertara los seis números de la Mega-Sena (una lotería brasileña)”. En una nota divulgada junto al artículo, el físico británico Alan Watson, de la Universidad de Leeds, en el Reino Unido, vocero emérito del observatorio, dijo que el resultado del estudio es “uno de los más estimulantes que obtuvimos y resuelve un problema que nos desvelaba desde que Jim Cronin [estadounidense premio Nobel de Física en 1980, fallecido en 2016] y yo ideamos el observatorio hace más de 25 años.

El Observatorio Pierre Auger se proyectó y comenzó a construirse en la década de 1990, para la detección de rayos cósmicos de alta energía, cuya existencia se había comprobado en la década de 1960. Sus actividades dieron inicio en 2004 y su construcción finalizó en 2008, a un costo de 54 millones de dólares (al valor de entonces). La lluvia de partículas es registrada por 1.660 detectores de superficie, los tanques denominados Cherenkov, en operación permanente, que están distribuidos sobre un área plana de 3 mil kilómetros cuadrados, una superficie equivalente al doble de la ciudad de São Paulo, al pié de los Andes argentinos. Los sensores detectan la luz ultravioleta emitida en el agua cuando las partículas energéticas que componen las cascadas atraviesan los tanques. En noches despejadas y sin luna, las mediciones se complementan con los datos obtenidos por 27 telescopios de fluorescencia, que registran la luz ultravioleta emitida por las moléculas de nitrógeno de la alta atmósfera cuando son excitadas por la lluvia de partículas.

Partículas raras
A diferencia de los rayos cósmicos de menor energía, que son abundantes en la atmósfera terrestre (cada segundo ingresa a la atmósfera una de esas partículas por metro cuadrado), las partículas de alta energía son bastante más raras. Cada año ingresa a la atmósfera un rayo cósmico por kilómetro cuadrado. Para el físico Ronald Cintra Shellard, director del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF), uno de los 30 brasileños que forman parte de la cooperación internacional, el mérito principal del trabajo reside en la precisión con la que determinaron el origen extragaláctico de esa radiación cósmica ultraenergética. “Ellos no viajan grandes distancias a escala cósmica. Entonces, vendrían de galaxias vecinas, distantes, como máximo, unos 200 megaparsecs, alrededor de 250 veces la distancia que separa a Andrómeda, la galaxia más cercana a la nuestra”, explica Shellard. En un principio, los científicos del Pierre Auger llegaron a considerar la posibilidad de que los rayos cósmicos altamente energéticos provinieran de las inmediaciones del centro de la Vía Láctea, donde existen posibles fuentes para ese tipo de fenómeno. La región de Sagittarius A, por ejemplo, alberga a uno de esos candidatos, un agujero negro supermasivo. “Pero nuestros resultados evidencian que los rayos cósmicos ultraenergéticos provienen de algún sitio muy distante del centro de la Vía Láctea, vienen de otras galaxias”, aclara Chinellato. Los investigadores midieron el modelo de anisotropía de los rayos cósmicos, es decir, cómo varía su incidencia en diferentes regiones del espacio, y constataron que el fenómeno ocurre preferentemente en una región de alta concentración de galaxias (observe el cuadro).

A pesar de las evidencias de que el fenómeno sea originario del exterior de la Vía Láctea, aún quedan en pié muchos enigmas. Todavía no puede determinarse de qué galaxias proceden los rayos cósmicos. Tampoco se conoce con exactitud la naturaleza de esas partículas ni los fenómenos que las producen. En un estudio llevado a cabo en 2007, a partir de la observación de tan sólo 27 rayos cósmicos con energía aún más alta que la referida en el trabajo actual, los científicos del Pierre Auger sugirieron que ese fenómeno se originaría en el núcleo de galaxias activas vecinas a la Vía Láctea. Sin embargo, tal observación no pudo confirmarse con el avance de los trabajos en el observatorio.

Hasta fines de 2018, la colaboración internacional se plantea realizar mejoras en el sistema de detectores de superficie del observatorio. El funcionamiento del Pierre Auger cuesta 1,9 millones de dólares anuales. Brasil aporta anualmente 120 mil dólares, a través de la FAPESP, el Ministerio de Ciencia, Tecnología, Innovaciones y Comunicaciones (MCTIC) y la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep). Está previsto que el observatorio siga recabando datos, al menos hasta 2025.

Proyecto
Estudio de los rayos cósmicos de más alta energía en el Observatorio Pierre Auger (nº 10/07359-6); Modalidad Proyecto Temático; Investigadora responsable Carola Dobrigkeit Chinellato (Unicamp); Inversión R$ 5.122.504,57

Artículo científico
The Pierre Auger collaboration. Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8×1018 eV. Science. 22 de sept. 2017.

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