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.
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Fuentes y referencias:
Artículo original. [2]
Preprint en ArXiv. [3]
Ilustración: Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige.