fuente de rayos cósmicos de ultra alta energía

El cielo nocturno parece tranquilo, pero en realidad está atravesado por una lluvia invisible de partículas cargadas: los rayos cósmicos. Los científicos llevan mucho tiempo intentando averiguar dónde nacen los más energéticos.

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.

El bosque nocturno está lleno de luciérnagas, pero antes solo veíamos las que por casualidad se cruzaban con el haz de nuestra linterna. Así ocurría con las fuentes ultraluminosas de rayos X: puntos en otras galaxias que brillan en rayos X más de lo que podría emitir de forma estable un agujero negro de masa estelar.

En el centro de la Vía Láctea, donde el agujero negro supermasivo Sagitario A* remueve las nubes de gas como un molino sus muelas, los astrónomos han captado un pulso irregular. La radiación gamma, la luz más energética del universo, no llega desde allí como una onda uniforme, sino con un quiebre, como si el corazón de la Galaxia latiera con arritmia.

En el cielo austral, tras un denso velo de polvo, se esconde una fuente de rayos gamma, la luz más energética del universo. Brilla con tanta intensidad que se ve incluso a través de ese velo, pero el objeto en sí permanece invisible. Los astrónomos apuntaron el radiotelescopio ALMA hacia las nubes de gas cercanas y vieron un patrón que delató al invisible.

El cielo nocturno parece tranquilo, pero en realidad partículas invisibles —los rayos cósmicos— nos atraviesan constantemente. Entre ellos hay electrones y sus antipartículas, los positrones. Cuando chocan con detectores en satélites o globos aerostáticos, los instrumentos registran su energía.

El púlsar PSR J1740+1000 es una estrella del tamaño de una ciudad que gira más rápido que una batidora de cocina. Tras la explosión de una supernova, quedó un núcleo denso que acelera partículas hasta velocidades cercanas a la de la luz.

En las profundidades del hielo del Polo Sur, a casi dos kilómetros y medio de profundidad, funciona un telescopio poco común. No apunta al cielo, sino a través de la Tierra. Su objetivo son los neutrinos, partículas casi imposibles de detectar que atraviesan planetas y estrellas de lado a lado sin interactuar con nada.

Una bola de billar choca contra otra en la más absoluta oscuridad. El sonido del impacto y el golpe de las bolas al caer en la tronera es todo lo que se oye. Así, más o menos, estudian los físicos las interacciones entre partículas elementales a energías que ningún acelerador terrestre puede reproducir.

En el centro de muchas galaxias no solo se esconden agujeros negros supermasivos, sino también enormes nubes de materia invisible. Si esta materia está compuesta por partículas ultraligeras, puede agruparse en densos cúmulos, una especie de «estrellas» de materia oscura.

Durante mucho tiempo, los astrónomos buscaron las «fábricas» de los rayos cósmicos más energéticos — partículas que llevan en su interior un macromundo comprimido al tamaño de un núcleo atómico. Las sospechas recaían sobre colosales regiones de formación estelar como Cygnus OB2, donde chocan los vientos de jóvenes gigantes.

En algún lugar del cosmos, un faro de radio destella por una fracción de segundo y se apaga. Estas señales se denominan estallidos rápidos de radio. Provienen de otras galaxias y duran desde microsegundos hasta milisegundos. En ese instante, el estallido libera tanta energía como las explosiones más potentes en estrellas de neutrones de nuestra Vía Láctea.

En la constelación del Águila, a unos 40 mil años luz de nosotros, funciona uno de los aceleradores naturales más potentes de la Galaxia. Se trata del microcuásar GRS 1915+105, un par formado por una estrella normal y un agujero negro.

Hace casi quince años, el telescopio de rayos gamma Fermi registró unas misteriosas «burbujas» — gigantescos grumos de plasma, como inflados por pulmones invisibles, que se elevan decenas de miles de años luz desde el centro de la galaxia.

Una piedra cae en un estanque y ondas se expanden por el agua. Así también la luz de galaxias lejanas se dispersa en todas direcciones — con calma y mesura. Pero en el centro de algunas galaxias no se esconde una piedra, sino un verdadero cañón: dispara partículas con una fuerza colosal. Los astrónomos llaman a estos objetos HSP BL Lac.

En las profundidades del mar Mediterráneo, donde el agua presiona con la fuerza de cientos de atmósferas, una red de esferas sensibles a la luz esperaba a un visitante poco común. Y llegó: un neutrino que atravesó la Tierra con una energía comparable al impacto de un ladrillo en vuelo.

En el corazón mismo de la Vía Láctea algo brilla, pero no con luz estelar, sino con rayos gamma invisibles al ojo.

Los rayos cósmicos son partículas de las profundidades del cosmos, aceleradas hasta energías colosales. Al chocar contra la atmósfera, generan cascadas de partículas con ondas de radio. Estas ondas son huellas que revelan la energía y dirección del visitante.

Cada segundo nos atraviesan proyectiles invisibles provenientes de las profundidades del cosmos. Son los rayos cósmicos: núcleos atómicos acelerados a velocidades casi indistinguibles de la velocidad de la luz. Su energía supera en cientos de millones de veces la que pueden alcanzar nuestros aceleradores más potentes.

En el centro de muchas galaxias se encuentra un agujero negro supermasivo. Cuando el gas cae sobre él, se calienta y brilla más que toda una galaxia: esto es un núcleo activo. A veces, de allí surge un verdadero huracán: una corriente de gas ionizado que se precipita a velocidades de decenas de porcentaje de la velocidad de la luz.

Los detectores convencionales de materia oscura se parecen a un portero de fútbol que espera un disparo potente, pero el balón apenas rueda. Las partículas invisibles que llenan nuestra galaxia a menudo se mueven demasiado despacio para que los sensores sensibles las noten.

Los neutrinos son partículas casi esquivas: atraviesan planetas sin percatarse de los átomos. Por eso cada captura es un golpe de suerte. Hace poco, el detector submarino KM3NeT atrapó un neutrino con una energía millones de veces mayor que la que producen los aceleradores más potentes de la Tierra.

Un potente reflector ilumina una niebla espesa. El haz en sí no se ve, pero la niebla comienza a brillar débilmente, delatando la presencia del reflector.

Cuando un núcleo pesado choca a gran velocidad contra el gas interestelar, se rompe en pedazos. Esos pedazos — litio, berilio, boro — continúan su viaje, y su cantidad en el flujo de rayos cósmicos depende de cómo ocurrió la fragmentación.

Los rayos gamma con energías superiores a cien billones de electronvoltios son como piedras lanzadas con una fuerza increíble. Durante mucho tiempo se creyó que solo los protones —partículas pesadas aceleradas en aceleradores cósmicos— podían lanzar esas "piedras". Pero un nuevo trabajo muestra que a veces bastan los ligeros electrones.

En lo profundo de la constelación del Águila se esconde una nebulosa que parece una burbuja que se infla. La infla una diminuta estrella del tamaño de una ciudad: un púlsar que da varias vueltas por segundo y pierde energía de rotación. Normalmente, estas burbujas brillan exactamente con la intensidad que permite su púlsar.

En diciembre de 2024, el cuásar PG 1211+143 estuvo en el punto de mira de dos observatorios de rayos X a la vez: los espectrógrafos de XRISM y XMM-Newton lo observaron simultáneamente.

En el corazón de los Alpes se esconde el Gran Colisionador de Hadrones. De vez en cuando sus detectores registran picos repentinos: los científicos los llaman UFO (objetos no identificados en caída). Según una teoría, no son fallos del equipo, sino rastros de materia oscura.

En el centro de casi toda galaxia grande se esconde un agujero negro. Cuando engulle gas, expulsa potentes corrientes de vuelta, como un dragón que no puede tragar toda su presa y exhala llamas. Estos "vientos" se aceleran hasta miles de kilómetros por segundo y pueden barrer las reservas de gas del que nacen las estrellas.

En el centro de la galaxia NGC 4278 hay un agujero negro que expulsa dos chorros de plasma, como un cañón gigante que dispara partículas al espacio. Estos chorros aceleran partículas hasta energías que ningún acelerador terrestre podría soñar.

Por el cielo nocturno viajan balas invisibles: los rayos cósmicos. Son núcleos atómicos acelerados hasta velocidades cercanas a la de la luz. Los campos magnéticos de la Galaxia desvían sus trayectorias, por lo que es difícil saber dónde nacen exactamente.

Moviéndose por la Galaxia, el sistema solar a veces se sumerge en densas nubes interestelares — acumulaciones de hidrógeno tenue y polvo.

Recién nacido tras el Big Bang, el universo burbujeaba como un refresco recién servido. Todo el espacio estaba lleno de burbujas: regiones de nuevo vacío, el mismo que obedece al Modelo Estándar, desplazaban el anterior estado inestable.

Los rayos cósmicos —partículas con una energía monstruosa— viajan en la oscuridad del espacio intergaláctico. En una colisión frontal, su fuerza puede comprimirse en un agujero negro del tamaño de un átomo.

Cada día, partículas con una energía colosal entran en la atmósfera terrestre, como cartas sin firma. Su origen ha sido un misterio durante mucho tiempo.

A 8,58 megapársecs de nosotros, la galaxia espiral M51 hace girar sus brazos, mientras el radiotelescopio VLA en su configuración más extensa la observa con una resolución de 0,16×0,14 segundos de arco. Es como si desde la Tierra pudiéramos distinguir una moneda en la superficie de la Luna.

Los rayos cósmicos son núcleos atómicos acelerados a velocidades cercanas a la de la luz. Llegan a la Tierra desde todas direcciones, y por su composición podemos deducir lo que ocurre en los rincones lejanos de la Galaxia.

Como corredores en una larga distancia, los núcleos atómicos —desde el ligero helio hasta el pesado hierro— se precipitan hacia nosotros a través de toda la galaxia. En la meta, en el detector a bordo de un globo de gran altitud, se ve que los núcleos pesados llegan un poco más agotados que los ligeros.

El espectro de electrones cósmicos es como las huellas dactilares en la escena del crimen. Las partículas que llegan desde las profundidades de la Galaxia llevan en sus energías las marcas de quienes las crearon. Durante mucho tiempo la imagen fue borrosa: los instrumentos con amplios intervalos de energía, como fotografías desenfocadas, no permitían ver los detalles.