Electrones con energías récord atrapan a los telescopios

Fig. 2: Representación artística de un púlsar con su potente campo magnético girando a su alrededor. Las nubes de partículas cargadas que se mueven a lo largo de las líneas del campo emiten rayos gamma que son enfocados por los campos magnéticos, similar a los haces de luz de un faro. En estos campos magnéticos, se crean y aceleran pares de positrones y electrones, convirtiendo a los púlsares en posibles fuentes de electrones y positrones cósmicos de alta energía. © NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

Fig. 1: Visualización del arreglo de telescopios H.E.S.S. para la detección de las cascadas de partículas producidas por electrones y positrones cósmicos de alta energía, así como por rayos gamma. © MPIK/Colaboración H.E.S.S.

Fig. 3: Espectro de energía de las CRe. Los círculos rojos indican los candidatos a CRe medidos por H.E.S.S.. La banda roja oscura corresponde a la ley de potencia rota ajustada a los datos, donde el ancho de la banda corresponde a los errores estadísticos de las mediciones. La banda azul claro indica el rango estimado del flujo real de CRe, teniendo en cuenta la contaminación por CRn así como errores estadísticos y sistemáticos.

Investigadores de la colaboración H.E.S.S., incluyendo un consorcio de universidades alemanas, el Instituto Max-Planck de Física Nuclear y el CNRS en Francia, han identificado recientemente los electrones y positrones de mayor energía jamás medidos en la Tierra. Proporcionan pruebas de procesos cósmicos que liberan cantidades enormes de energía, cuyo origen aún se desconoce. Estos resultados serán publicados el 25 de noviembre en la revista Physical Review Letters.

El universo está lleno de entornos extremos, desde las temperaturas más frías hasta las fuentes más energéticas. Objetos extremos como restos de supernovas, púlsares o núcleos galácticos activos pueden generar partículas cargadas y rayos gamma, cuyas energías superan en órdenes de magnitud las alcanzadas en procesos térmicos como la fusión nuclear en estrellas.

Mientras la luz gamma emitida atraviesa el espacio sin perturbaciones, las partículas cargadas —también conocidas como rayos cósmicos— son desviadas por los campos magnéticos omnipresentes en el universo y llegan a la Tierra de manera uniforme desde todas las direcciones. Además, estas partículas cargadas pierden energía al interactuar con la luz y los campos magnéticos. Estas pérdidas son especialmente fuertes en electrones y positrones de alta energía, por encima de un tera-electrónvoltio (1 TeV = 10¹² electronvoltios), los electrones de los rayos cósmicos (CRe). Su detección en la Tierra es, por tanto, una evidencia clara de la existencia de potentes aceleradores de partículas cósmicas en las cercanías de nuestro sistema solar, aunque no puedan usarse para determinar su origen en el espacio.

Sin embargo, la detección de estas partículas de alta energía es difícil: los telescopios en el espacio con una superficie de detección de aproximadamente un metro cuadrado no pueden captar suficientes partículas raras. Los instrumentos terrestres pueden detectar las cascadas de partículas que se producen cuando los rayos cósmicos impactan en la atmósfera terrestre, pero enfrentan el desafío de distinguir las cascadas provocadas por electrones o positrones de las mucho más frecuentes causadas por impactos de núcleos cósmicos más pesados. En 2008, los investigadores lograron por primera vez identificar estas CRe en los datos del telescopio Cherenkov H.E.S.S. en tierra.

El observatorio H.E.S.S. en Namibia utiliza cinco grandes telescopios atmosféricos de imagen para captar la débil luz Cherenkov generada por partículas y fotones cargados que atraviesan la atmósfera de nuestro planeta, creando una cascada de partículas (Fig. 1). Aunque su principal función es detectar, seleccionar y medir las fuentes de rayos gamma, los datos también pueden usarse para buscar electrones cósmicos.

En un nuevo análisis, presentado por investigadores de la colaboración H.E.S.S., se obtuvieron nuevos conocimientos sobre el origen de estas partículas. Los astrofísicos reanalizaron un enorme conjunto de datos recopilados durante más de una década por cuatro de los telescopios H.E.S.S., aplicando algoritmos de selección novedosos y estrictos para identificar electrones cósmicos con una contaminación de fondo sin precedentes. Esto condujo a un conjunto de datos estadísticos sin igual para el análisis de los electrones cósmicos. En particular, los investigadores lograron por primera vez obtener datos de CRe en las energías más altas, hasta 40 TeV (tera-electrónvoltios).

"Observamos que el espectro de energía de los CRe muestra una caída suave a medida que aumenta la energía, pero alrededor de 1 tera-electrónvoltio, el espectro se vuelve repentinamente mucho más empinado. Tanto por encima como por debajo de esta ruptura, el espectro sigue una ley de potencias y no presenta otras anomalías, como las que predicen muchos modelos de aceleración de CRe", señala Mathieu de Naurois del Laboratoire Leprince-Ringuet, École Polytechnique, CNRS, uno de los autores principales del estudio.

Sin embargo, los investigadores encontraron que la transición de un espectro plano a uno empinado en torno a 1 TeV es sorprendentemente abrupta.

"Este es un resultado importante, ya que podemos concluir que la radiación cósmica medida probablemente proviene de unas pocas fuentes cercanas a nuestro sistema solar, que están a un máximo de unos pocos miles de años luz de distancia —una distancia muy pequeña en comparación con el tamaño de nuestra galaxia. La emisión de muchas fuentes en diferentes distancias diluiría mucho esta señal", explica Kathrin Egberts de la Universidad de Potsdam, otra autora principal del estudio. "Con nuestro análisis detallado, por primera vez hemos podido limitar significativamente el origen de estos electrones cósmicos."

El profesor Werner Hofmann del Instituto Max-Planck de Física Nuclear en Heidelberg explica la importancia del nuevo análisis para la investigación astrofísica: "Las tasas de flujo extremadamente bajas en altas energías limitan mucho las posibilidades de realizar mediciones similares con misiones espaciales. Nuestro análisis proporciona ahora datos en un rango de energía decisivo y aún no explorado, que influirán en nuestra comprensión del entorno local. Por ello, probablemente marcará el estándar en este rango de energía en el futuro cercano", resume.

El observatorio H.E.S.S.

Los rayos gamma de alta energía solo pueden observarse desde la Tierra mediante un truco. Cuando un rayo gamma entra en la atmósfera, colisiona con átomos y moléculas, generando nuevas partículas que se desplazan como una avalancha hacia la superficie terrestre. Estas partículas emiten destellos de luz que duran solo unos pocos milmillonésimos de segundo (radiación Cherenkov) y pueden detectarse con telescopios grandes especialmente equipados en tierra. La astronomía de rayos gamma de alta energía utiliza la atmósfera como una enorme pantalla de luz. El observatorio H.E.S.S., ubicado en las tierras altas de Khomas en Namibia a 1835 m de altura, fue inaugurado oficialmente en 2002. Consta de un conjunto de cinco telescopios. Cuatro de ellos, con espejos de 12 m de diámetro, están en las esquinas de un cuadrado, y un quinto telescopio de 28 m en el centro. Esto permite detectar radiación gamma cósmica en un rango de unos pocos decenas de giga-electrónvoltios (GeV, 10⁹ electronvoltios) hasta unos pocos decenas de tera-electrónvoltios (TeV, 10¹² electronvoltios). Para comparación: las partículas de la luz visible tienen una energía de dos a tres electronvoltios. H.E.S.S. es actualmente el único instrumento que observa el cielo del hemisferio sur en luz gamma de alta energía, y también el sistema de telescopios más grande y sensible de su tipo.

Bibliografía:
Medición de alta estadística del espectro de electrones de rayos cósmicos con H.E.S.S.
Colaboración H.E.S.S. Physical Review Letters, 25 de noviembre de 2024.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.221001
arXiv: http://arxiv.org/abs/2411.08189