Astrofísicos brasileños y de otros países idearon y probaron modelos informáticos que reprodujeron la generación de rayos cósmicos de altísimas energías mediante un mecanismo de aceleración magnética asociado a la actividad de los blázares. Con este término los astrofísicos describen a las galaxias con núcleos activos que emiten chorros intensos de plasma (un gas ionizado) en dirección a la Tierra. En el centro de estos blázares hay un agujero negro cuya masa equivale a la de millones o miles de millones de soles. Al consumir la materia que atrae hacia su interior, el agujero negro produce, en sentido perpendicular a su eje de rotación, una corriente de partículas subatómicas eléctricamente cargadas: el chorro de plasma mencionado. Este flujo de materia ionizada puede atravesar el espacio a velocidades cercanas a la de la luz, aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo.
Los rayos cósmicos acelerados en estos ambientes son las partículas más energéticas del Universo. La meta de algunos físicos de altas energías consiste en determinar qué tipos de cuerpos celestes y qué procesos están implicados en su producción. “En nuestras simulaciones, hemos conseguido acelerar protones de baja energía que se encontraban en el interior de un chorro turbulento a través de un mecanismo conocido como reconexión magnética y producir rayos cósmicos con energías del orden de 1018 a 1020 electronvoltios [eV]”, dice Elisabete de Gouveia Dal Pino, del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP), coordinadora del grupo que realizó los modelados por computadora en el marco de un proyecto financiado por la FAPESP. “Estos resultados avalan la hipótesis que postula que los blázares podrían ser una de las fuentes de rayos cósmicos más extremos”. Los datos de los estudios fueron presentados en dos artículos publicados en 2021 en la revista Astrophysical Journal y sus pormenores saldrán en nuevos papers que se publicarán este año.
La expresión rayos cósmicos se refiere a partículas con carga eléctrica (protones, electrones y núcleos de átomos) y neutras (neutrinos, neutrones y fotones) generadas en objetos celestes extremos, que viajan por el Universo y, eventualmente, llegan a la Tierra. Las menos energéticas, como el viento solar, son más abundantes y su origen probablemente puede atribuirse a fenómenos que ocurren en el interior de la Vía Láctea. A medida que se hacen más energéticas, son cada vez menos frecuentes y proceden de sitios más alejados. Las más energéticas se producen fuera de la Vía Láctea, tal como lo ha podido constatar el Observatorio Pierre Auger, en Argentina, financiado por organismos internacionales, la FAPESP y el CNPq (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 260).
En 2005, el astrofísico estadounidense Alexandre Lazarian, de la Universidad de Wisconsin, en Estados Unidos, junto a Dal Pino, propusieron el mecanismo de reconexión magnética como uno de los probables métodos que podrían conducir a la producción de rayos cósmicos altamente energéticos. Este proceso se caracteriza por una veloz ruptura y reconexión (de ahí surge su denominación) de las líneas de los campos magnéticos de un gas ionizado, como ocurre en los chorros de partículas emitidos por los agujeros negros en el centro de las galaxias e incluso en los blázares. Este procedimiento transforma la energía magnética en energías térmica (calor) y cinética (que acelera las partículas del plasma), a menudo generando explosiones. Fenómenos tales como las llamadas fulguraciones o llamaradas solares (erupciones repentinas en la superficie del Sol) e incluso las auroras en las regiones polares del planeta son producto de una reconexión rápida de las líneas de fuerza de los campos magnéticos. En el caso de los rayos cósmicos, todavía no se sabía si este mecanismo sería lo suficientemente poderoso como para explicar la producción de las partículas más energéticas del Universo.
Los estudios del grupo de Dal Pino sugieren que, al menos en los chorros de plasma que emiten los blázares, la reconexión magnética parece ser capaz de producir rayos cósmicos extremadamente energéticos. En sus dos simulaciones numéricas por computadora, el equipo de Dal Pino genera un sistema que emula el comportamiento de un chorro de plasma como los que producen los agujeros negros en los blázares, y provoca inestabilidades que conducen al proceso de reconexión magnética rápida y turbulenta. En los cálculos computacionales, que pueden llegar a demorar cientos de horas, los científicos observan si algunas partículas consiguen adquirir velocidad suficiente como para poder considerarlas rayos cósmicos de altísima energía. A juzgar por lo obtenido en los trabajos del grupo, la respuesta es sí. “En las simulaciones, introducimos de cientos a miles de protones de baja energía que son acelerados por el mecanismo de reconexión magnética en el fluido turbulento del chorro”, explica la física peruana Tania Elizabeth Medina Torrejón, quien realiza una pasantía posdoctoral en el IAG y es una de las autoras de los artículos. “Con el paso del tiempo, observamos un crecimiento exponencial de la energía de esas partículas”.
En 2018, el Observatorio de Neutrinos IceCube, situado en las proximidades del polo sur, en la Antártida, registró la primera fuente documentada de neutrinos de alta energía asociados a blázares, un tipo de partículas que solo pueden ser producidas por protones de altísima energía. Las partículas superaceleradas eran procedentes del blázar denominado TXS 0506+056, que se encuentra a unos 5.700 millones de años luz de la Tierra, con un agujero negro que emite un chorro de plasma en dirección a la Tierra (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 270). “Este blázar también genera fuertes emisiones de rayos gamma y neutrinos. Recientemente hemos reconstruido esas emisiones con el modelo de aceleración por reconexión magnética”, comenta el astrofísico mexicano Juan Carlos Rodríguez-Ramírez, otro de los posdoctores del grupo del IAG. La producción de rayos gamma podrá estudiarse en forma detallada con el Cherenkov Telescope Array (CTA), proyectado para convertirse en el mayor observatorio terrestre de este tipo de radiación. El CTA es un emprendimiento cuyo costo asciende a 350 millones de euros, liderado por los europeos, en el cual también participan astrofísicos brasileños (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 312).
Proyecto
Investigación de fenómenos de altas energías y plasmas astrofísicos. Teorías, simulaciones numéricas, observaciones y desarrollo de instrumental para el Cherenkov Telescope Array (CTA) (nº 13/10559-5); Modalidad Proyecto Temático; Investigadora responsable Elisabete de Gouveia Dal Pino (USP); Inversión R$ 14.836.626,42.
Artículos científicos
MEDINA-TORREJÓN, T. E. et al. Particle acceleration by relativistic magnetic reconnection driven by Kink instability turbulence in poynting flux-dominated jets. Astrophysical Journal. v. 908, n. 2. feb. 2021.
KADOWAKI, L. H. S. et al. Fast magnetic reconnection structures in poynting flux-dominated jets. Astrophysical Journal. v. 912, n. 2. may. 2021.
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