Una partícula con una energía de $10^{18}$ eV que impacta la atmósfera terrestre es como si una pelota de tenis que viaja a 200 km/h chocara contra una pared. De dónde provienen tales proyectiles es un debate que los astrofísicos han sostenido durante décadas. Los estallidos de rayos gamma, explosiones breves y potentes de radiación gamma, han sido sospechosos durante mucho tiempo de actuar como aceleradores. Pero los cálculos mostraban que si aceleraran partículas, deberían producir demasiados neutrinos y fotones gamma, y los detectores no los ven.
El nuevo trabajo propone una solución. Un estallido de rayos gamma expulsa materia en un chorro relativista estrecho, como un reflector que apunta su haz a un punto del cielo. La mayoría de los chorros son anchos, como la luz de una linterna que ilumina un patio. Pero hay algunos raros, estrechos como un puntero láser. Los autores consideraron una población de tales chorros estrechos en el universo cercano (corrimiento al rojo z ≤ 0.36, es decir, dentro de aproximadamente 4 mil millones de años luz). Estos "punteros láser" apuntan con mayor precisión y desperdician menos energía, por lo que pueden acelerar partículas de manera más eficiente y producir menos radiación secundaria.
El modelo se ajustó a los datos del Observatorio Pierre Auger: el espectro y la composición de las partículas. Resultó que a las energías más altas, el flujo está dominado por chorros estrechos limitados a un corrimiento al rojo z ≤ 0.36. La cercanía de las fuentes reduce las pérdidas de partículas durante la propagación: no tienen tiempo de perder energía en interacciones con el fondo cósmico de microondas. La composición resultó ser 65% protones y 34% helio, lo que coincide con las observaciones.
Los flujos de neutrinos predichos están por debajo de los límites actuales de IceCube y Auger. El pico del flujo de neutrinos está dentro de un orden de magnitud de la estimación para el evento KM3-230213A, una pista, pero no una contradicción. El flujo de radiación gamma en cascada satura el límite superior de Fermi-LAT a energías de aproximadamente 1 TeV, pero deja espacio para la contribución de otras fuentes, como los blázares.
Los futuros instrumentos AugerPrime y TA×4 mejorarán las mediciones del espectro, la composición y las direcciones de llegada de las partículas, lo que permitirá verificar las correlaciones con estallidos de rayos gamma cercanos. Los detectores de neutrinos de próxima generación, IceCube-Gen2, GRAND y PUEO, detectarán el flujo predicho o impondrán restricciones más estrictas. Y las observaciones con LHAASO, CTA y SWGO podrán resolver el componente cosmogénico en la radiación gamma de estallidos individuales.
Así, los raros rayos de reflector estrechos que iluminan los alrededores cercanos, en lugar de galaxias lejanas, resultan ser la clave para desentrañar el origen de las partículas más energéticas del universo.
El estallido de rayos gamma GRB 221009A fue tan brillante que se le llamó 'el más brillante de todos los tiempos' (BOAT, por sus siglas en inglés: Brightest Of All Time). Su chorro tenía un ángulo de apertura de solo 0.8 grados, como si el haz de una linterna a un kilómetro de distancia iluminara una moneda.
La idea de que explosiones cósmicas raras y poderosas puedan ser fuentes de las partículas más energéticas resuena con el concepto de 'estallidos de rayos gamma como arma' de la ciencia ficción, por ejemplo en la novela 'Hyperion' de Dan Simmons, donde fenómenos similares se asocian con eventos catastróficos.