Amaterasu, el segundo rayo cósmico más energético
El rayo cósmico más poderoso visto en tres décadas parece provenir de un punto vacío del Universo.
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Los rayos cósmicos son protones o núcleos atómicos que se mueven a velocidades relativistas y que provienen de fenómenos muy energéticos del Universo. Al ser partículas cargadas pueden ser desviados por campos magnéticos como en el nuestra galaxia, por lo que saber su lugar de origen no es fácil. Algunos de estos rayos cósmicos son de una energía tan alta que casi llegan al límite de lo que puede registrase. Son los rayos cósmicos de energía ultra alta o UHECR en sus siglas en inglés.
Cada UHECR suele llegar solo y sin previo aviso, choca contra nuestra atmósfera y explota en una cascada de partículas secundarias que provocan destellos de luz imperceptiblemente breves a medida que caen sobre la superficie, pero que pueden ser registrados por observatorios especialmente diseñados al caso.
Uno de estos observatorios es el Telescope Array en Utah, que consta de más de 500 detectores individuales repartidos en 700 kilómetros cuadrados de desierto. Este observatorio ha detectado 28 rayos cósmicos con energías mayores de 100 EeV (exaelectrones voltio) entre 2008 y 2021. El terreno plano y los cielos oscuros de Utah lo convierten en unos de los mejores sitios del hemisferio norte para tener este tipo de observatorios.
Este observatorio registró el 27 de mayo de 2021 un caso que constituye el segundo rayo cósmico más energético jamás observado. A este evento fue apodado Amaterasu (la diosa del sol en la mitología japonesa) por sus descubridores. Es, además, la partícula más energética vista en la Tierra en más de 30 años. El rayo cósmico Oh my God de 1991 de 320 EeV todavía ostenta el récord de energía más alta, pero las barras de error grandes de este caso antiguo (± 90 EeV) tiene intersección con las de Amaterasu (± 76 EeV), por lo que Amaterasu podría ser la más energética jamás registrada.
Las estadísticas sugieren que estos rayos cósmicos sólo llegan a un ritmo de menos de uno por siglo y por kilómetro cuadrado de la superficie de nuestro planeta. Lo más curioso de este caso es que parece haber venido de una vasta región de vacío cósmico desprovista de estrellas, galaxias y casi todo lo que podría ser una fuente astrofísica obvia.
La luz Cherenkov que se registra procedente de la lluvia de muones y otras partículas secundarias que el evento generó y que iluminó 23 de los más de 500 detectores del Telescope Array. Los investigadores implicados dedujeron que el UHECR entrante debe haber tenido una energía de unos 244 exaelectrones voltios (EeV), que es millones de veces más energética que las partículas del LHC. Para hacernos una idea, como 1 EeV son 1018 eV, la energía de Amaterasu era de unos 40 julios. Todos esos julios de energía sobre una sola partícula. Esta es la razón por la que ningún colisionador destruirá nunca el mundo, pues la Naturaleza hace experimentos muchos más energéticos de lo que nunca podremos hacer nosotros.
Amaterasu parece proceder del Vacío Local, una extensión de espacio intergaláctico que bordea la Vía Láctea en donde no parece haber nada, lo que es bastante desconcertante.
Nadie sabe exactamente qué tipo de partícula era Amaterasu. Debido a que distintas partículas tienen carga diferente pueden ser desviadas de distinta manera por los campos magnéticos galácticos. Si Amaterasu fuera un protón, lo que se considera lo más probable, se habría curvado poco y se habría originado cerca del centro del Vacío Local. Pero si fuera algo más pesado, como el núcleo de un átomo de hierro, interactuaría más fuertemente con los campos magnéticos y sufriría una curvatura mayor. En este escenario, el origen de Amaterasu podría haber sido hacia el borde del Vacío Local, cerca de una galaxia llamada NGC 6946, pero es poco probable porque está fuera de la región esperada.
Un hipótesis aceptada es que este tipo de rayos cósmicos pueda ser originado por agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias activas que disparan chorros de protones y otras partículas subatómicas a alta velocidad. Un candidato en este caso sería Centaurus A, que está a solo 13 millones de años luz de distancia.
La razón principal de que no podamos ver muchos de estos rayos cósmicos se debe al corte Greisen–Zatsepin–Kuzmin (límite GZK). Cuando la energía de un rayo cósmico es superior a 60 EeV, este interacciona con los fotones que hay en el medio interestelar, algo no imposible porque hay unos 410 fotones por centímetro cúbico. Debido a esta interacción, los rayos cósmicos protónicos con alta energía se desintegran en un pión neutro y un protón o un pión cargado y un neutrón. Esto solo ocurre cuanto el protón tiene mucha energía, porque si tiene poca no posee energía para decaer en otras partículas, al ser una partícula estable.
A mayor energía del protón menor es la distancia que recorre sin chocar con un fotón. O, lo que es lo mismo, a mayor distancia más posibilidades de que encuentre un fotón y más difícil que nos llegue. La energía de Amaterasu sitúa su fuente a menos de 50 Mpc (160 Mega años luz) de nosotros. Si fuera un núcleo pesado, podría estar a 200 Mpc (650 Mega años luz).
Los autores del artículo especulan con la existencia de una nueva física que explique todo esto, pero ningún físico da ningún crédito a esa especulación. Lo más posible es que haya alguna fuente, incluso cercana, que explique el asunto. Al fin y al cabo, los vacíos perfectos no existen y un cono de observación de varios grados da para muchos posibles sitios de procedencia.
Copyleft: atribuir con enlace a https://neofronteras.com
Fuentes y referencias:
Artículo original.
Preprint en ArXiv.
Ilustración: Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige.
20 Comentarios
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miércoles 6 diciembre, 2023 @ 12:46 pm
O sea que -si lo he entendido bien-, cada km2 de la Tierra recibe algo menos de un rayo cósmico por siglo, así que siendo la vida media de un humano, de algo menos de 3/4 de siglo, y nuestra superficie en planta -sin medirla, imagino- algo así como 1/4 de m2, salvo que estemos tumbados en la cama o en la playa en cuyo caso iremos hacia el 1/2 o 2/3 del m2, puedo estar tranquilo porque será difícil que reciba un rayazo alguna vez en lo que me queda de vida. Bueno, hablando con más propiedad, como al entrar en la atmósfera, cualquier paquete de esas partículas, se convertirá en una lluvia de ellas, con efecto dominó -o sea, en cascada, lo normal es que sí sea atravesado por muchas pero bastante inofensivas en la superficie; más en las altas montañas. Como vivo al nivel del mar no me preocupo y eso está bien.
En cuanto a la lejanía del origen, puede estar a 13, a 160, a 650 millones de años luz… La incertidumbre es tremenda. Y como no sabemos la dirección por la cosa de los campos magnéticos, pues todavía más.
En cuanto al tema del recorrido, parece claro que nos llegan más de menor energía que de alta energía; de ello podemos deducir por la observación que los más energéticos tienen menor carrera. Es razonable que «a mayor distancia, más posibilidades de que encuentre un fotón y más difícil que nos llegue», como explica el artículo, pero no veo claro que «a mayor energía del protón, menor es la distancia que recorre sin chocar con un fotón». ¿Y si es un neutrón?
miércoles 6 diciembre, 2023 @ 5:04 pm
Amigo Tomas, Dices:
pero no veo claro que «a mayor energía del protón, menor es la distancia que recorre sin chocar con un fotón». ¿Y si es un neutrón?
Pensando que, la energía del protón sea proporcional a su velocidad
Personalmente entiendo que está correcta esa afirmación.
Imagina que la velocidad del protón sea infinita, En este caso se tropezaría con todos los fotones que estuvieran atravesando en ese momento su trayectoria hasta aquí.
Por el contrario, si su velocidad es mínima encontrará con muchos menos fotones durante su trayecto.
Un símil es :correr durante una lluvia, Cuanto más rápido bayas más gotas de lluvia barreras en tu recorrido y por tanto menos distancia de tu recorrido entre gota y gota.
Abrazos
jueves 7 diciembre, 2023 @ 11:33 am
Gracias, mi buen amigo Eduardo: El ejemplo es muy bueno. Es visible cuando vas en coche lloviendo: muchas más gotas de lluvia contra el parabrisas si vas rápido que si vas más despacio. Así que el número de gotas interceptadas es proporcional al cuadrado de la velocidad, o sea, a la energía del vehículo.
¡Si ya digo que eres un genio!
jueves 7 diciembre, 2023 @ 12:56 pm
Hola don Neo, note lo que creo que es un gazapo, dice:
«320 EeV todavía ostenta el récord de energía más alta, pero las barras de error grandes de este caso antiguo (± 320 EeV)»
320 EeV es el valor central, no las barras de error, que creo que son del orden de ± 90 EeV según la Wikipedia.
Gracias como siempre por sus publicaciones y saludos cordiales.
viernes 8 diciembre, 2023 @ 11:48 am
El hecho de que protones de mayor velocidad se crucen con un mayor número de fotones por unidad de tiempo es a priori irrelevante para que disminuya la distancia promedio que recorrerá el protón sin interaccionar con algún fotón.
Lo fundamental es que el protón no reacciona con ningún fotón hasta que se cruza con uno “al que ve” con una energía superior al umbral establecido por el límite Greisen–Zatsepin–Kuzmin.
Los fotones del fondo cósmico de microondas (CMB) que pueblan el universo tienen una energía media del orden de 0.001 eV. Pero los protones solo interaccionan con fotones de energías del orden de los MeV. Conforme un protón es más rápido, desde su propia referencia, ve más desplazados al azul y por lo tanto más energéticos a los fotones del CMB con los que se cruza. Pero no interaccionará con ningún fotón hasta que la velocidad del protón llegue a la velocidad umbral del límite Greisen–Zatsepin–Kuzmin, que para un protón es una energía de 5E+19 eV.
Solo si un protón tiene una energía superior a ese umbral reacciona con fotones del CMB emitiendo un pion en cada interacción y perdiendo energía en ello, el proceso de producción de piones continúa, hasta que la energía del protón cae por debajo del umbral para la producción de piones, (cuando la energía del protón ha disminuido por debajo del umbral, deja de interaccionar con los fotones)
Debido al recorrido libre medio asociado con esta interacción, los protones de rayos cósmicos extragalácticos que viajan desde distancias mayores que ~163 millones de años luz y con energías superiores a la umbral, nunca deberían poder observarse en la Tierra. Esta distancia se conoce como horizonte GZK (Greisen–Zatsepin–Kuzmin)
Saludos.
viernes 8 diciembre, 2023 @ 1:24 pm
Gracias Albert por tu explicación.
Con respecto a mi comentario Nº 2 tengo que decir que está equivocado.
Aparte del motivo que explica muy bien Albert, lo que escribí continúa errado. Para mas claridad volveré al símil de la lluvia chocándose contra el parabrisas de un coche. O de una persona corriendo
Imagino que la persona o el coche sigan una trayectoria recta, que la lluvia sea homogénea y continuada Lo que implica que la cantidad de gotas que atraviesan la trayectoria en los sucesivos instantes sea idéntica.
Si la velocidad de la persona es muy grande (casi infinita), barrerá todas las gotas que caen en su trayectoria en aquel instante y solo en aquel instante. Pues llega en ese instante al final de su trayectoria
Como en cada instante siempre habrá la misma cantidad de gotas, la persona o parabrisas que recorra esa trayectoria mas despacio en cada punto de esa trayectoria se topará con la misma densidad de gotas, llegando al final de la trayectoria con idéntica cantidad barrida, que en el caso de mayor velocidad. Suponiendo que no vaya tan despacio que le caigan más gotas sucesivas en cada punto. En caso extremo si queda parado en un punto de su trayectoria se mojará totalmente.
La diferencia entre ambos casos, es que el de mayor velocidad barre la cantidad total de lluvia en muy poco tiempo. Ya el de menor velocidad barre la misma lluvia en un tiempo mucho mayor.
O sea, en ambos casos quedan igualmente mojados. Es este detalle del tiempo, el que no tuve en cuenta en mi comentario anterior
Amigo Tomas, ni esto ni lo que dije en el comentario anterior tiene algo de genialidad, simplemente es fruto de perseverancia (casi obsesiva) para encontrar solución a este o cualquier problema
Abrazos
viernes 8 diciembre, 2023 @ 7:25 pm
Nuestro astrónomo oficial, Albert, nos da un baño de radiación selectiva según los límites establecidos por la ciencia, e insistiendo en lo que dice el artículo que yo había leído muy de pasada. Mi agradecimiento.
Aparte de eso, he de decir que prefiero los al, por ser más intuitivos -al unir tiempo y espacio- que los pc, y me gustaría saber por qué en astronomía se prefieren estos últimos.
Eduardo, siempre modesto.
Abrazos para ambos y para todos.
domingo 17 diciembre, 2023 @ 2:11 pm
Gracias Albert, efectivamente, había una errata.
viernes 22 diciembre, 2023 @ 10:47 am
Como no parece que vayamos a escribir mucho sobre el tema, me atrevo a salirme de él y me decanto por desearos unas felices Navidades y un buen próximo 2024.
Abrazos.
viernes 22 diciembre, 2023 @ 12:20 pm
Muchas felicidades, salud, y suerte para todos
jueves 28 diciembre, 2023 @ 11:58 am
Como es 28-12-2023 me siento en la obligación de poner, al menos, una adivinanza:
Ave soy, pero no vuelo
y como soy tan redonda
no me levanto del suelo
por muy llana que me ponga..
A ver si hay muchos acertantes.
sábado 30 diciembre, 2023 @ 1:21 am
Parece más fácil que otras que planteaste, pero de momento sigo con mi estadística mendruguesca de años anteriores (o sea, sin resolver ninguna).
¡Buena suerte para todos los amigos en este fin y comienzo de año!
sábado 30 diciembre, 2023 @ 10:00 am
Mi querido amigo: Las chavalas suelen ser más imaginativas. También las donas. ¿Por qué no pides ayuda?
Un abrazo muy grande para toda la familia.
sábado 30 diciembre, 2023 @ 12:18 pm
Se me acurre otra forma de decir la adivinanza, que será, creo, más fácil:
Ave soy, pero no vuelo
y, puesto que no soy plana,
no me levanto del suelo
aunque me ponga muy llana.
A ver si así alguien acierta.
martes 2 enero, 2024 @ 10:43 am
Una ayudita más: «cap y cúa», no «capicua», distíngase.
martes 2 enero, 2024 @ 10:51 am
Perdón por el acento.
martes 2 enero, 2024 @ 12:08 pm
Tomas. Para tu acertijo se me ocurre AVELLANA ave + llana
Abrazos
martes 2 enero, 2024 @ 10:21 pm
¡Claro que sí! Ave-llana es la solución. Puse la adivinanza también en una especie de club familiar y fue acertado por mi nieto, no sin alguna dificultad, Preguntándome si la había copiado. Pues hube de decirle que no, que era de mi cosecha. Así que enhorabuena a todos los que han acertado pero no se han molestado en escribirlo y, por supuesto a Eduardo.
Otra vez feliz año 2024.
martes 2 enero, 2024 @ 11:45 pm
…Va a ser otro año negativo en cuanto a calentamiento global, pero os deseo que a nivel personal tengáis buena suerte.
¡¡Feliz 2.024!!
miércoles 3 enero, 2024 @ 8:45 am
Me he releído el artículo «Más rendimiento en combustibles sintéticos» y me doy cuenta de que no me aclaro con eso de «… intensidad equivalente a 1000 soles».
Porque si hablamos de intensidad será «intensidad lumínica», pero no he encontrado, alguna unidad llamada «sol». Por otra parte diría que no hay una relación directa.
Con humildad creo que lo correcto sería llamar «sol» a una unidad equivalente a la energía que está directamente relacionada con el calor, que me parece que no es lo que el artículo pretende.
Diría que tal unidad podría ser la cantidad de «calor = energía» recibida por un cuerpo negro (que absorbiera toda radiación) a la distancia del Sol de una UA, perpendicularmente a la recta (centro del Sol)-(cuerpo negro), por unidad de superficie -por ejemplo m^2-. Así podríamos hablar con propiedad, pero me temo que eso no es lo que pretende el artículo, sino que creo debe refierse a 1000 veces lo que recibe, por unidad de superficie, ¿quizá algún gran espejo parabólico que concentra en un punto o espacio reducido -¿reactor?-?
En resumen, que no me entero y agradecería que alguno de nuestros sabios compañeros me lo explicase antes de que también acabe la vida de este artículo.
Mil gracias.