Los astrónomos han buscado durante mucho tiempo los lugares de emisión de algunos de los protones de mayor energía de nuestra galaxia. Ahora, un estudio que utiliza datos de 12 años de investigación del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA, confirma que un remanente de supernova es una de las fuentes.
Crédito: Goddard Space Flight Center de la NASA.
Fermi ha demostrado que las ondas de choque que crean las estrellas que explotan impulsan las partículas a velocidades comparables a la de la luz. Estas partículas, llamadas rayos cósmicos, toman principalmente la forma de protones, pero pueden incluir núcleos atómicos y electrones. Debido a que todos llevan una carga eléctrica, sus caminos se perturban a medida que atraviesan el campo magnético de nuestra galaxia. Dado que ya no podemos decir en qué dirección se originaron, esto enmascara su lugar de nacimiento. Pero cuando estas partículas chocan con el gas interestelar cerca del remanente de la supernova, producen un brillo revelador en rayos gamma, la luz de mayor energía que existe.
“Los teóricos creen que los protones de rayos cósmicos de mayor energía en la Vía Láctea alcanzan un millón de billones de electronvoltios, o energías PeV”, dijo Ke Fang, profesor asistente de física en la Universidad de Wisconsin, Madison. “La naturaleza precisa de sus fuentes, que llamamos PeVatrons, ha sido difícil de precisar”.
Atrapadas por campos magnéticos caóticos, las partículas cruzan repetidamente la onda de choque de la supernova, ganando velocidad y energía con cada paso. Al final, el remanente ya no puede retenerlos y se lanzan al espacio interestelar.
Impulsados a unas 10 veces la energía reunida por el acelerador de partículas más poderoso del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones, los protones PeV están a punto de escapar de nuestra galaxia por completo. Los astrónomos han identificado algunos PeVatrones sospechosos, incluido uno en el centro de nuestra galaxia. Naturalmente, los remanentes de supernova encabezan la lista de candidatos. Sin embargo, de unos 300 remanentes conocidos, solo se ha encontrado que unos pocos emiten rayos gamma con energías suficientemente altas.
Una colisión estelar en particular ha llamado mucho la atención de los astrónomos que estudian los rayos gamma. Llamada G106.3+2.7, es una nube con forma de cometa ubicada a unos 2.600 años luz de distancia en la constelación de Cefeo. Un púlsar brillante cubre el extremo norte del remanente de supernova, y los astrónomos creen que ambos objetos se formaron en la misma explosión.
El telescopio de área grande de Fermi, su instrumento principal, detectó rayos gamma de mil millones de electronvoltios (GeV) desde el interior de la cola del remanente. (A modo de comparación, la energía de la luz visible mide entre aproximadamente 2 y 3 electronvoltios). El Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) en el Observatorio Fred Lawrence Whipple (en el sur de Arizona) registró rayos gamma incluso de mayor energía de la misma región. Y tanto el High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory en México como el Experimento Tíbet AS-Gamma en China, han detectado fotones con energías de 100 billones de electronvoltios (TeV) del área sondeada por Fermi y VERITAS.
Crédito: NASA/Fermi/Fang et al. 2022.
“Este objeto ha sido una fuente de considerable interés desde hace un tiempo, pero para coronarlo como un PeVatron, tenemos que demostrar que está acelerando protones”, explicó el coautor Henrike Fleischhack de la Universidad Católica de América en Washington y del Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt (Maryland). “El problema es que los electrones acelerados a unos pocos cientos de TeV pueden producir la misma emisión. Ahora, con la ayuda de 12 años de datos de Fermi, creemos que hemos demostrado que G106.3+2.7 es de hecho un PeVatron”.
El artículo que detalla los hallazgos, dirigido por Fang, se publicó el 10 de agosto en la revista Physical Review Letters.
El púlsar, J2229+6114, emite sus propios rayos gamma de modo similar a un faro mientras gira, y este brillo domina la región a energías de unos pocos GeV. La mayor parte de esta emisión ocurre en la primera mitad de la rotación del púlsar. El analizó solo los rayos gamma que llegan de la última parte del ciclo. Por debajo de 10 GeV, no hay una emisión significativa de la cola del remanente.
Por encima de esta energía, la interferencia del púlsar es insignificante y la fuente adicional se vuelve evidente. El análisis detallado del equipo favorece abrumadoramente a los protones PeV como partículas que impulsan esta emisión de rayos gamma.
“Hasta ahora, G106.3+2.7 es único, pero puede convertirse en el miembro más brillante de una nueva población de remanentes de supernova que emiten rayos gamma que alcanzan energías de TeV”, señala Fang. “Se pueden revelar más de ellos a través de futuras observaciones de Fermi y observatorios de rayos gamma de muy alta energía”.
La NASA explora misterios cósmicos, y este rompecabezas en particular supuso más de una década de observaciones de vanguardia para resolverlo.
El telescopio espacial de rayos gamma Fermi es una asociación de astrofísica y física de partículas administrada por Goddard. Fermi fue desarrollado en colaboración con el Departamento de Energía de los Estados Unidos, con importantes contribuciones de instituciones académicas y socios en Francia, Alemania, Italia, Japón, Suecia y Estados Unidos.
Edición: R. Castro.