Astrónomos sorprendidos por un misterioso rayo cósmico de energía ultra alta: «¿Qué está pasando?»

Astrofísicos de la Universidad de Utah y el conjunto de telescopios han detectado rayos cósmicos con energías más allá de los límites teóricos, desafiando la comprensión actual de la física de partículas. Estos descubrimientos, incluidas las partículas Oh-My-God y Amaterasu, apuntan a fenómenos cósmicos desconocidos y son el foco de investigaciones en curso.

Junto a la partícula Oh-My-God, la recién nombrada partícula Amaterasu profundiza el misterio del origen, la propagación y la física de partículas de raros rayos cósmicos de energía ultra alta.

En 1991, el experimento ocular de la Universidad de Utah detectó los rayos cósmicos de mayor energía jamás observados. La energía de los rayos cósmicos, más tarde llamada partícula de Dios mío, sorprendió a los astrofísicos. Nada en nuestra galaxia tiene la energía para producirla, y la partícula tenía más energía de la que teóricamente es posible para los rayos cósmicos que viajan a la Tierra desde otras galaxias. En pocas palabras, no debería haber ninguna partícula.

Misterios de la astronomía

El conjunto de telescopios ha observado más de 30 rayos cósmicos de energía ultraalta, aunque ninguno se ha acercado al nivel de energía de Dios mío. Ninguna observación ha revelado aún su origen ni cómo pudieron viajar a la Tierra.

La partícula de amatista impacta la atmósfera terrestre

Representación artística de un rayo cósmico altamente energético observado por el conjunto de detección de superficie del experimento Telescope Array, denominado «partícula Amaterasu». Crédito: Universidad Metropolitana de Osaka/L-Inside, Universidad de Kyoto/Ryunosuke Takeshige

El 27 de mayo de 2021, el experimento Telescope Array detectó el segundo rayo cósmico de mayor intensidad. 2,4 x 10 pulgadas20eV, la energía de esta única partícula subatómica equivale a dejar caer un ladrillo sobre el dedo del pie desde la altura de la cintura. Dirigido por la Universidad de Utah (U) y la Universidad de Tokio, el conjunto de telescopios consta de 507 estaciones de detección de superficie que cubren una cuadrícula de 700 km cuadrados.2 (~270 millas2Utah en el desierto al oeste del estado, fuera del Delta. El evento activó 23 detectores en la parte noroeste del conjunto de telescopios, a 48 km de distancia.2 (18,5 millas2) cuya dirección de llegada se origina en el vacío local, la región vacía en el límite del espacio vía Láctea Galaxia.

«Las partículas son tan energéticas que no deberían verse afectadas por los campos magnéticos galácticos y extraestelares. Se puede identificar de dónde vienen en el cielo», dijo John Matthews, coportavoz del conjunto de telescopios de la U y coautor del estudio. «Pero la partícula, oh Dios mío, y esta nueva partícula, se rastrea su camino hasta su fuente, y no hay energía lo suficientemente alta como para crearla. Ése es el misterio: ¿qué está pasando?

partícula amaterasu

En su observación publicada en la revista el 24 de noviembre de 2023. Ciencia, una colaboración internacional de investigadores describió el rayo cósmico de energía ultra alta, evaluó sus características y concluyó que es un fenómeno raro que sigue la física de partículas desconocida para la ciencia. Los investigadores la llamaron partícula Amaterasu en honor a la diosa del sol en la mitología japonesa. Las partículas Oh-My-God y Amaterasu se detectaron utilizando diferentes técnicas de observación, lo que confirma que, aunque son raros, estos eventos de energía ultraalta son reales.

Astronomía de rayos cósmicos de energía ultraalta

Ilustración de un astrónomo de un rayo cósmico de energía ultraalta para dilucidar fenómenos más energéticos en comparación con un rayo cósmico más débil impactado por campos electromagnéticos. Crédito: Universidad Metropolitana de Osaka/Universidad de Kyoto/Ryunosuke Takeshige

«Estos eventos parecen provenir de lugares completamente diferentes en el cielo. No es como si hubiera una fuente misteriosa», dijo John Bells, profesor de la Universidad y coautor del estudio. «Podrían ser fallas en la estructura de espacio-tiempo, cuerdas cósmicas en colisión.» Quiero decir, escupo las ideas locas que se le ocurren a la gente porque no existe una explicación convencional.

Los aceleradores de partículas de la naturaleza

Los rayos cósmicos son ecos de violentos acontecimientos celestes que despojan la materia hasta sus estructuras subatómicas y atraviesan el universo a casi la velocidad de la luz. Básicamente, los rayos cósmicos son partículas cargadas con una amplia gama de energías, compuestas por protones positivos, electrones negativos o núcleos enteros, que viajan por el espacio y caen continuamente sobre la Tierra.

Los rayos cósmicos golpean la atmósfera superior de la Tierra y desgarran los núcleos de oxígeno y nitrógeno, creando muchas partículas secundarias. Estos viajan cierta distancia hacia la atmósfera y repiten el proceso, creando una lluvia de miles de millones de partículas secundarias que se dispersan en la superficie. La huella de esta lluvia secundaria es enorme y requiere que los detectores cubran un área tan grande como un conjunto de telescopios. Los detectores de superficie utilizan un conjunto de instrumentos que brindan a los investigadores información sobre cada rayo cósmico; El tiempo de la señal muestra su trayectoria y la cantidad de partículas cargadas que golpean cada detector revela la energía de la partícula primaria.

Debido a que las partículas tienen una carga eléctrica, su trayectoria de vuelo se asemeja a la de una bola en una máquina de pinball mientras zigzaguean contra los campos electromagnéticos en el fondo cósmico de microondas. Es casi imposible rastrear la trayectoria de la mayoría de los rayos cósmicos, que se encuentran en el extremo bajo al medio del espectro energético. Incluso los rayos cósmicos de alta energía se ven distorsionados por el fondo de microondas. Las partículas con energía Oh-My-God y Amaterasu están relativamente sin doblar en el espacio intergaláctico. Sólo los fenómenos celestes más poderosos pueden producirlos.

«Las cosas que la gente piensa que son energéticas, como una supernova, no son lo suficientemente energéticas para esto. Se necesita mucha energía, en realidad muchos campos magnéticos, para controlar la partícula a medida que acelera», dijo Matthews.

El misterio de los rayos cósmicos de ultra alta energía

Los rayos cósmicos de energía ultraalta deben ser mayores que 5 x 1019 E.V. Esto significa que una partícula subatómica tiene la misma energía cinética que la bola rápida de un lanzador de Grandes Ligas y millones de veces más energía que la que cualquier acelerador de partículas fabricado por el hombre puede alcanzar. Los astrofísicos han calculado este límite teórico, conocido como corte de Griesen-Satzepin-Kuzmin (GZK), porque es la energía máxima con la que un protón puede recorrer la distancia más larga antes de que las interacciones de la radiación de fondo de microondas ganen energía. Las fuentes candidatas conocidas, como núcleos galácticos activos o agujeros negros con discos de acreción que emiten chorros de partículas, se encuentran a 160 millones de años luz de la Tierra. La nueva partícula es 2,4 x 1020 eV y 3,2 x 10 partícula O-Dios mío20 eV supera fácilmente el límite.

Los investigadores examinan la composición de los rayos cósmicos en busca de pistas sobre su origen. Una partícula más pesada, como los núcleos de hierro, es más pesada, más cargada y más capaz de doblarse en un campo magnético que las partículas más ligeras formadas por protones de hidrógeno. Átomo. La nueva partícula puede ser un protón. Un rayo cósmico con energías más allá del corte GZK de la física de partículas, el fondo de microondas es lo suficientemente poderoso como para distorsionar su trayectoria, pero su trayectoria apunta hacia el espacio vacío.

«Quizás los campos magnéticos sean más fuertes de lo que pensábamos, pero esto no concuerda con otras observaciones que muestran que no son lo suficientemente fuertes como para producir una flexión significativa en estas energías de diez a veinte electronvoltios», dijo Bells. «Es un verdadero misterio».

Ampliación del conjunto de telescopios y de investigación

El matriz telescópica Está en una posición única para detectar rayos cósmicos de energía ultraalta. Está a unos 1.200 m (4.000 pies), el punto óptimo de altura donde las partículas secundarias permiten un crecimiento máximo, pero antes de que comiencen a descomponerse. Su ubicación en el desierto occidental de Utah proporciona condiciones atmosféricas ideales de dos maneras: el aire seco es importante porque la humedad absorbe la luz ultravioleta necesaria para la detección; Y los cielos oscuros de la región son necesarios porque la contaminación lumínica genera demasiado ruido y oscurece los rayos cósmicos.

Los astrofísicos todavía están desconcertados por este misterioso fenómeno. El conjunto de telescopios se encuentra en medio de una expansión que esperan ayude a resolver el caso. Cuando esté terminado, 500 nuevos detectores de centelleo ampliarán el conjunto del telescopio, midiendo las lluvias de partículas inducidas por rayos cósmicos hasta 2.900 kilómetros.2 (1,100 millas2 ), casi del tamaño de Rhode Island. Una huella más grande captura más eventos que arrojan luz sobre lo que está sucediendo.

Obtenga más información sobre este descubrimiento:

Referencia: “El rayo cósmico más energético observado por un conjunto de detección de superficie” 23 de noviembre de 2023, Ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.abo5095

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