Una ‘superburbuja’ genera rayos cósmicos

Artículo publicado por Edwin Cartlidge el 24 de noviembre de 2011 en physicsworld.com

Una vasta burbuja de gas caliente rarificado se ha revelado como una fuente de rayos cósmicos – las misteriosas partículas que aporrean continuamente la Tierra. La observación de la conocida como superburbuja, que mide más de 100 años luz de diámetro, se realizó usando rayos gamma recopilados por el satélite Fermi de la NASA, y arroja luz sobre el origen de los rayos cósmicos en las regiones de formación estelar masiva.

Los rayos cósmicos son protones, núcleos y electrones muy energéticos que llegan a la Tierra desde el espacio. Desde que se descubrieron en 1912 por parte del físico austriaco Victor Hess, los científicos han debatido sobre su procedencia y cómo se aceleran. Viajando casi a la velocidad de la luz, pueden tener energías de muchos órdenes de magnitud por encima de lo que pueden lograr los aceleradores más potentes de la Tierra.

Mapa de FERMI del cielo en rayos gamma © by LLacertae


Muchos científicos creen que los rayos cósmicos, con energías de hasta 1015 eV, se aceleran mediante las ondas de choque producidas cuando una supernova (una estrella de gran masa en explosión) expulsa material al espacio a velocidades muy altas. Los datos analizados procedentes de la nave ACE de la NASA en 2003, proporcionaron pruebas indirectas de que, al menos algunos rayos cósmicos, son acelerados dentro de regiones de formación estelar masiva, donde reside aproximadamente el 80% de los remanentes de supernovas. El satélite midió la abundancia relativa de distintos isótopos dentro de las muestras de rayos cósmicos que alcanzan la Tierra, y encontró que mientras que cuatro quintas partes de este material recuerda al que se encuentra en nuestro Sistema Solar, una quinta parte corresponde a material expulsado por estrellas pesadas.

Apoyo más directo

La última investigación proporciona un apoyo más directo a esta hipótesis. Un equipo internacional de astrofísicos ha analizado datos de rayos gamma registrados por el LAT a bordo del satélite Fermi, y ha encontrado una fuente extendida de rayos gamma emitidos desde dentro de la región de la constelación de Cygnus. La emisión de rayos gamma se extiende a lo largo de una línea que mide unos 160 años luz, entre dos cúmulos de estrellas masivas, uno que contiene más de 500 estrellas masivas y otro unas 75.

Las estrellas masivas se forman dentro de densas nubes de gas y, conforme crecen expulsan materia en forma de vientos estelares, y al estallar como supernovas. La presión de estas eyecciones empuja el gas lejos de las estrellas, creando cavidades, o burbujas, a su alrededor. Estas burbujas pueden crecer hasta fusionarse con burbujas de estrellas vecinas, produciendo de este modo superburbujas.

Los investigadores de Fermi creen que los rayos gamma que han observado son el resultado de rayos cósmicos que se producen en el interior de una superburbuja y que interactúan con el gas y la luz contenidos dentro de la misma. Los astrofísicos usan tales rayos gamma para observar el comportamiento de los rayos cósmicos debido a que, al contrario que los rayos cósmicos, los rayos gamma no se ven desviados por los campos magnéticos que impregnan el espacio, y por tanto, es más fácil situar su origen.

La idea de que el satélite Fermi está viendo rayos cósmicos producidos dentro de la superburbuja de Cygnus recibe un apoyo añadido del número relativamente grande de fotones de alta energía detectados. Este espectro “duro” de rayos gamma sugiere que los rayos cósmicos se aceleran cerca de donde se producen los rayos gamma, es decir, dentro de la superburbuja. La emisión de rayos gamma producida por los rayos cósmicos en la vecindad de la Tierra, por contra, tiene un espectro “suave” debido a que los rayos cósmicos han viajado más desde sus orígenes y han perdido energía en el proceso.

Primera “prueba sólida”

“Ésta es la primera vez que tenemos una prueba sólida de fuentes de rayos cósmicos dentro de regiones de formación estelar masiva”, dice el miembro del grupo Luigi Tibaldo, de la Universidad de Padua en Italia. “Éste es un importante paso adelante en la búsqueda de la comprensión del misterio de los rayos cósmicos”.

El siguiente paso es calcular exactamente qué está provocando la aceleración. Como explica Tibaldo, el culpable podría ser las ondas de choque aisladas generadas por los remanentes de supernovas, o la acción colectiva de distintas ondas de choque. Arrojar luz sobre esta cuestión implicará observaciones de mayor resolución de la superburbuja de Cygnus, así como modelos más refinados de la aceleración de la superburbuja y más datos sobre otras regiones de formación estelar masiva, tanto de dentro como de más allá de la galaxia, dice Tibaldo.

Tibaldo señala, sin embargo, que tal aceleración de la superburbuja no podría solventar el misterio de los rayos cósmicos por sí sola. Esto se debe a que las ondas de choque producidas por los remanentes de supernova, o por cúmulos de estrellas masivas, no compactan suficiente energía para acelerar los rayos cósmicos a las energías más altas observadas – 1020 eV y más allá.

Alan Watson, de la Universidad de Leeds, que no es parte del equipo de Fermi, cree que los últimos resultados son “un importante descubrimiento” en la física de los rayos cósmicos debido a que, según comenta, “está claro que los investigadores han establecido que hay partículas recientemente aceleradas en la región de la superburbuja”, pero defiende que “siguen las incógnitas”, tales como si las partículas aceleradas son protones o electrones. “Desgraciadamente, no parece que el problema del origen de los rayos cósmicos vaya a resolverse por completo a tiempo para su centenario en agosto de 2012″, añade.

La investigación se publica en Science 334 1103.


Autor: Edwin Cartlidge
Fecha Original: 24 de noviembre de 2011
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