Los núcleos atómicos más pesados que el hierro pierden energía mucho más lentamente que los protones al atravesar el espacio intergaláctico, lo que los convierte en candidatos para explicar el origen de la partícula Amaterasu
En mayo de 2021, un detector del Telescope Array en Utah registró el impacto de una partícula con una energía de 244 exa-electronvoltios, una de las energías más altas jamás medidas para un rayo cósmico individual, comparable a la legendaria «partícula Oh-My-God» de 1991. Los científicos la llamaron Amaterasu, en honor a la diosa del sol de la mitología japonesa.
Los rayos cósmicos de alta energía son partículas subatómicas cargadas (principalmente protones y núcleos atómicos) que viajan por el espacio casi a la velocidad de la luz. Proceden de fuentes extremas del universo, como supernovas, agujeros negros y galaxias activas, y al chocar contra la atmósfera terrestre generan una lluvia de partículas secundarias.
Lo más desconcertante de Amaterasu no era solo su energía extrema, sino su dirección de llegada: apuntaba hacia el Vacío Local, una región casi vacía del espacio cercana a la Vía Láctea sin ninguna fuente astrofísica obvia capaz de producir partículas de esa energía. El misterio del origen de los rayos cósmicos de energía ultra-alta lleva más de 60 años sin resolverse, y Amaterasu lo hizo aún más profundo.
Lo que las simulaciones revelan
El equipo de Murase abordó el problema desde un ángulo distinto: en lugar de buscar la fuente, preguntarse qué tipo de partícula podría sobrevivir el viaje. Realizaron simulaciones computacionales detalladas de cómo partículas de distintas masas (desde protones individuales hasta núcleos atómicos pesados con docenas de protones y neutrones) pierden energía al atravesar distancias intergalácticas, interactuando con la luz de fondo cósmica y otros campos de radiación.
El resultado: a energías comparables a las de Amaterasu, los núcleos ultrapesados (más pesados que el hierro, que tiene 26 protones) pierden energía mucho más lentamente que los protones o los núcleos de masa intermedia, lo que les permite sobrevivir distancias cósmicas mayores y llegar a la Tierra conservando energías extremas. «Nuestra investigación mostró que a energías comparables a la de la partícula Amaterasu, los núcleos ultrapesados pierden energía más lentamente que los protones o núcleos de masa intermedia, lo que les permite sobrevivir mejor las distancias cósmicas y llegar a la Tierra con energías extremas», señaló Murase.
Las fuentes candidatas y el futuro
El equipo no afirma que todos los rayos cósmicos de energía ultra-alta sean núcleos ultrapesados, sino que si una fracción significativa lo son, eso debería reflejarse en futuras mediciones de composición a las energías más extremas. Las fuentes más prometedoras para producir y acelerar núcleos ultrapesados son las muertes de estrellas masivas que colapsan en agujeros negros, las estrellas de neutrones fuertemente magnetizadas (magnetares), y las fusiones de estrellas de neutrones binarias, conocidas también como potentes emisoras de ondas gravitacionales. Observatorios de próxima generación, como el propuesto AugerPrime en Argentina y el propuesto Global Cosmic Ray Observatory, podrían buscar las firmas predichas por el modelo: si los núcleos ultrapesados contribuyen significativamente a las energías más altas, los datos futuros deberían mostrar una composición más pesada que el hierro en ese rango de energías. Murase también señaló que el trabajo podría ayudar a explicar una posible diferencia observada entre el cielo norte y el cielo sur en el espectro de rayos cósmicos de energía ultra-alta, otro misterio pendiente de la astrofísica de partículas.
El telescopio array y la próxima generación de detectores
El Telescope Array, el observatorio de Utah que detectó la partícula Amaterasu en 2021, es un conjunto de más de 500 detectores de superficie distribuidos sobre 700 kilómetros cuadrados de desierto, diseñado para captar las cascadas de partículas secundarias que se producen cuando un rayo cósmico de energía ultra-alta choca con la atmósfera terrestre.
Determinar la masa del núcleo original a partir de esa cascada secundaria es uno de los problemas más difíciles de la física de rayos cósmicos, porque la cascada depende de múltiples factores que son difíciles de desentrañar con la estadística limitada de eventos tan raros (partículas con la energía de Amaterasu llegan a la Tierra con una frecuencia de aproximadamente una por kilómetro cuadrado por siglo).
El propuesto AugerPrime, una actualización del Observatorio Pierre Auger en Argentina, añadirá detectores de centelleo a la red existente de detectores de agua Cherenkov, lo que mejorará significativamente la capacidad de determinar la composición de masa de los rayos cósmicos detectados.
El propuesto Global Cosmic Ray Observatory iría más allá, combinando detectores terrestres con observaciones desde satélites para cubrir un área total mucho mayor, aumentando la tasa de detección de eventos extremos y proporcionando la estadística necesaria para probar definitivamente si los núcleos ultrapesados explican una fracción significativa de los rayos cósmicos más energéticos jamás detectados.
REFERENCIA
Imagen: Ilustración que muestra un rayo cósmico impactando en los detectores del experimento Telescope Array en 2021. (Crédito de la imagen: Universidad Metropolitana de Osaka/L-INSIGHT, Universidad de Kioto/Ryuunosuke Takeshige)
