Hace mucho tiempo en una galaxia muy, muy lejana

En 1912 el alemán Víctor Hess descubrió los rayos cósmicos, un flujo de partículas subatómicas – es decir, que componen el átomo – que llegan desde el espacio e impactan sobre la Tierra. En 1938, Pierre Auger detectó las lluvias de partículas secundarias generadas por esas partículas primarias. Y, en los años ’60, se encontró que había rayos cósmicos de de energías muy altas, como las que se detectan actualmente en el Observatorio Pierre Auger, en Malargüe, Mendoza.

A partir de su descubrimiento se plantearon tres preguntas fundamentales. ¿Qué partículas los componen: protones o núcleos de átomos pesados?, ¿Por qué llegan a la Tierra con tan alta energía? y ¿De dónde vienen? En relación a esta ultima, a grandes rasgos, había dos posibilidades: que provengan del interior de nuestra galaxia, o de estructuras que se encuentran por fuera de ella.

Ahora, una investigación publicada el 21 de septiembre en la revista Science refuerza la idea de que los rayos cósmicos de alta energía que llegan a la Tierra se originan por fuera de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Y que hay una sección del universo de donde provienen más, que es justamente donde hay mayor densidad de galaxias.

“Lo que pudimos determinar en la colaboración Pierre Auger, un grupo de aproximadamente 400 científicos de 17 países, puede ser una respuesta al origen de los rayos cósmicos de alta energía”, explica Beatriz García, investigadora independiente del CONICET en el Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas (ITEDA, CONICET-UNSAM-CNEA). Y agrega que, probablemente, aquellos de baja energía provengan del interior de la Vía Láctea.

Para entender este fenómeno hay que comprender como se generan los rayos cósmicos. Los átomos tienen un núcleo (con carga positiva) con protones y neutrones, y una ‘nube’ de electrones (con carga negativa) que lo rodea. Cuando ocurren diferentes fenómenos, como las explosiones solares o la muerte de una estrella, la temperatura y la densidad del medio separan a los electrones del átomo y queda el núcleo desnudo.

“Las dos partes que quedan, el núcleo con carga positiva y los electrones con carga negativa, se aceleran durante la explosión. Cuantos mayores sean los campos magnéticos en las fuentes, más se aceleran, y a la Tierra llega el núcleo pelado, que cuando choca con la atmósfera empieza a producir nuevas partículas y forma una cascada”, explica Esteban Roulet, investigador principal del CONICET en la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y uno de los autores del trabajo.

Debido a la presencia de los campos electromagnéticos, no es lo mismo un rayo cósmico que llega a nuestro planeta con alta energía que uno que llega con baja. Para graficarlo, se podría pensar que los primeros llegan con una trayectoria relativamente lineal o con pocas desviaciones, como una pelota de fútbol pateada muy fuerte, mientras que los segundos tendrían una trayectoria más fluctuante.

Roulet analiza que, en muchos casos, “los de energías muy, muy bajas pueden ser generados por el Sol. De vez en cuando, cuando hay explosiones en ese astro, nos llegan partículas de muy baja energía – rayos cósmicos – que salen de él. Además, creemos que los que llegan con energías un poco más altas ya vienen de afuera del sistema solar pero aún de nuestra galaxia. No se sabe exactamente cuál es la fuente de estos rayos pero se cree que el mejor candidato es la muerte de una estrella muy masiva en una supernova y esos serían la mayoría de los que detectamos”.

Sin embargo, la duda persistía en cuanto al origen de los rayos cósmicos de alta energía, superior a 8 x 10¹⁸ electron-Volt (eV). ¿Arriban del espacio intra o del extra galáctico? “Este nuevo trabajo indica que su procedencia está fuera de la Vía Láctea, aunque todavía no se conoce precisamente de donde”, detalla Beatriz García.

Un segundo dato refuerza esto: después de 12 años de observaciones en el Pierre Auger se pudo detectar que hay una mayor proporción de rayos cósmicos (alrededor de un 6 por ciento) que provienen de la mitad del cielo del cielo respecto de la otra – lo que se llama un dipolo. Y que es en la primera mitad donde hay mayor densidad de galaxias.

Desde una galaxia lejana

Los rayos cósmicos pueden alcanzar las mayores energías observadas en la naturaleza, y en el caso de los extragalácticos sus velocidades serían cercanas a la de la luz. En cuanto a su origen, Roulet comenta: “Creemos que unos candidatos muy posibles para la aceleración de estos rayos cósmicos son las galaxias que tienen agujeros negros de quizás 10, 100 o mil millones de masas solares. Otra posibilidad serían las estrellas muy masivas – de 10 a 50 masas solares – que cuando mueren pueden acelerar rayos cósmicos”.

La detección de estos rayos de alta energía no fue fácil: se calcula que llega a la Tierra uno por kilómetro cuadrado cada 100 años. Mientras que los de baja energía son más frecuentes, los de alta son más difíciles de registrar.

El Observatorio Pierre Auger tiene 1.600 detectores distribuidos en una superficie de 3.000 km², equivalente al área de 15 veces la Ciudad de Buenos Aires. Están separados 1.5 km entre sí y contienen 12 mil litros de agua ultrapura.

“Cuando los electrones, muones (partículas similares a los electrones pero con una masa 200 veces superior) y rayos gamma atraviesan este agua generan una radiación ultravioleta que es detectada por el instrumental. Y eso nos permite reconstruir la energía del rayo cósmico primario”, comenta García.

Además, en el observatorio hay 27 telescopios de fluorescencia distribuíos en cuatro edificios, que miran hacia el interior del campo de detectores. Con ellos se puede medir el desarrollo longitudinal – del cielo a la tierra – de la cascada de partículas.

“Cuando los electrones atraviesan la atmósfera, chocan con las moléculas de nitrógeno, que son cerca del 70 por ciento de la composición del aire. Cuando lo hacen, excitan a este gas que cuando se desexcita provoca una fluorescencia ultravioleta, que no se puede ver a simple vista pero que es detectada por estos telescopios”, describe Roulet.

Para Beatriz García, “el diseño de este observatorio perseguía explicar fenómenos naturales que seguían siendo enigmas para la ciencia. Después de 13 años de funcionamiento y con la estadística que aún no es la suficiente para tener certezas, estamos comenzando a ver la punta del iceberg que con seguridad nos va a permitir, de alguna forma, caracterizar mejor los rayos cósmicos de alta energía”.