Ciencia Kanija

Recientes observaciones de observatorios de rayos-X japoneses y de la NASA han ayudado a clarificar uno de los misterios más antiguos de la astronomía – el origen de los rayos cósmicos.

El espacio exterior es una gigantesca galería de tiro de rayos cósmicos. Encubierto en 1912, los rayos cósmicos no son en realidad rayos; son partículas subatómicas e iones (tales como protones y electrones) que vuelan a toda velocidad por el espacio en todas las direcciones a casi la velocidad de la luz, con energías decenas de miles de veces mayores que las partículas producidas en los mayores aceleradores de partículas de la Tierra. Los rayos cósmicos bombardean de forma incesante la Tierra, impactando en los átomos y moléculas de la atmósfera superior, y produciendo cascadas de partículas secundarias que alcanzan la superficie.

Desde los años 60 los científicos han apuntado a los remanentes de supernovas – jirones de restos gaseosos de una supernova – como la base de generación de la mayoría de los rayos cósmicos. Estos remanentes se expanden en el gas interestelar de los alrededores, una interacción energética que produce un frente de choque con campos magnéticos pueden acelerar las partículas cargadas a enormes energías, produciendo rayos cósmicos.

De acuerdo con la teoría, las partículas subatómicas cargadas rebotan como “pinballs” alrededor del frente de choque. Van aumentando su velocidad hasta que se mueven casi a la velocidad de la luz. El año pasado, las observaciones del Observatorio de Rayos-X Chandra de la NASA sugirió que los electrones estaban siendo acelerados rápidamente (tan rápido como permite la teoría) a altas energías en el remanente de supernova Casiopea A.

Estas imágenes del Observatorio de Rayos-X Chandra de la NASA muestra pequeñas porciones de un borde de RXJ1713.7-3946. Las imágenes pequeñas de la derecha muestran los puntos que aparecen y desaparecen. La rápida aparición y desaparición de los puntos indica que los electrones están siendo acelerados a casi la velocidad de la luz en presencia de potentes campos magnéticos. Crédito: CXC/Yasunobu Uchiyama/HESS/Nature

Ahora, Yasunobu Uchiyama de la Agencia de Exploración Aeroespacial Japonesa (JAXA), y cuatro colegas, han observado la firma de la aceleración de choque de los electrones, y demostraron que los campos magnéticos en los remanentes de una supernova son más fuertes de lo que se pensaba anteriormente, y son completamente capaces de producir rayos cósmicos.

En un estudio publicado el 4 de octubre de 2007 en el ejemplar de la revista Nature, el equipo de Uchiyama usó Chandra y el satélite de rayos-X Suzaku de JAXA para observar el borde noroeste del remanente de supernova RXJ1713.7-3946, situado a unos pocos miles de años luz de la Tierra en la constelación de Scorpius.

Esta imagen del observatorio de rayos-X Suzaku de Japón muestra RXJ1713.7-3946. Este remanente de supernova son los restos gaseosos de una estrella masiva que explotó. Los restos tienen unos 1600 años de antigüedad. Las líneas de conrno muestra dónde es más intensa la radiación gamma, tal como se midió en el Systema Estereoscópico de Alta Energía (HESS) en Namibia. Crédito: JAXA/ Takaaki Tanaka/HESS

Con la alta resolución espacial de Chandra, el equipo monitorizó los principales puntos de rayos-X que brillaron y se apagaron en menos de un año. En particular, un punto brillante visto en julio de 2005 era invisible tanto en julio de 2000 como en mayo de 2006. Tal rapidez en la variabilidad de los rayos-X muestra que las partículas están siendo producidas con rapidez en una pequeña región del espacio. Dado que los mismos puntos apenas se movieron de 2000 a 2006, Uchiyama y sus colegas pudieron establecer un límite superior para la velocidad del frente de choque: 16 millones de kilómetros por hora. Este resultado ayudó al equipo a deducir la fuerza del campo magnético.

Sólo un proceso conocido puede explicar las observaciones de Chandra. Los electrones deben estar girando en espirales a lo largo de las líneas de campo magnético e irradiando su energía en forma de la llamada radiación de sincrotrón. Para tal incremento y decremento rápido en la intensidad de los rayos-X, los electrones deben acelerarse y emitir radiación de sincrotrón en presencia de un campo magnético cientos de veces mayor que los campos habituales en el espacio interestelar.

“La fuerza del campo magnético recae en el corazón de la teoría de aceleración de rayos cósmicos”, dice Uchiyama. “Las estimaciones previas de los campos magnéticos en los remanentes de supernova están basados en argumentos indirectos. En nuestro estudio, hemos determinado el campo magnético de forma directa”.

“Este es un artículo extremadamente importante”, añade el físico Don Ellison de la Universidad Estatal de Carolina del Norte en Raleigh, que no es miembro del equipo de Uchiyama. “Esta es la primera vez que una variabilidad tan rápida en rayos-X se ha visto en un remanente de supernova. Está aceptado generalmente que ciertas emisiones de rayos-X en remanentes es radiación de sincrotrón procedente de electrones de alta velocidad, pero es importante forzarlo y obtener una medida del campo magnético”.

El espectro de Suzaku de RXJ1713.7 proporciona pruebas independientes de la aceleración rápida. Demuestra que los puntos han enredado los campos magnéticos, lo que permite a las partículas rebotar rápidamente hasta que se aceleran a energías muy altas. Dado que los electrones y protones de una energía dada son acelerados a la misma razón, pero los protones no irradia su energía de la misma forma que los electrones, el equipo de Uchiyama argumenta que los protones serán acelerados a las energías superiores necesarias para igualar las energías vistas en los rayos cósmicos que golpean la atmósfera de la Tierra.

“Este artículo es importante ya que parece demostrar que los protones de rayos cósmicos pueden ser acelerados a energías mayores de lo que antes se pensaba”, dice el físico Robert Streitmatter del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, que no es miembro del equipo.

Esta entrada fue escrita el Jueves, 11 de octubre de 2007 a las 9:41 am y archivada en Astronomía, Fí­sica. Puedes seguir cualquier respuesta a esta entrada a través del feed RSS 2.0. Puedes dejar una respuesta, o trackback desde tu propio sitio web.