Científicos recrean "bolas de fuego" cósmicas para investigar rayos gamma perdidos

Un equipo internacional de científicos, encabezado por la Universidad de Oxford, logró un hito mundial al crear "bolas de fuego" de plasma utilizando el acelerador Super Proton Synchrotron en CERN, Ginebra. Este experimento busca estudiar la estabilidad de los chorros de plasma que emanan de los blazares.

Los resultados, publicados en PNAS, podrían arrojar nueva luz sobre un misterio de larga data relacionado con los campos magnéticos ocultos del universo y la ausencia de rayos gamma. Los blazares son galaxias activas impulsadas por agujeros negros supermasivos que lanzan haces estrechos de partículas y radiación hacia la Tierra. Estos chorros producen una intensa emisión de rayos gamma que se extiende hasta varios teraelectronvoltios, los cuales son detectados por telescopios terrestres.

A medida que estos rayos gamma de TeV se propagan a través del espacio intergaláctico, se dispersan por la tenue luz de fondo de las estrellas, creando cascadas de pares de electrones y positrones. Se esperaba que estos pares se dispersaran en el fondo cósmico de microondas para generar rayos gamma de menor energía; sin embargo, estos no han sido capturados por telescopios espaciales de rayos gamma, como el satélite Fermi. Hasta ahora, la razón de esta ausencia ha sido un misterio.

Una de las explicaciones es que los pares son desviados por débiles campos magnéticos intergalácticos, lo que desvía los rayos gamma de menor energía de nuestra línea de visión. Otra hipótesis, proveniente de la física del plasma, sugiere que los pares de haces se vuelven inestables a medida que atraviesan la escasa materia que se encuentra entre las galaxias. En este caso, pequeñas fluctuaciones en el haz generan corrientes que producen campos magnéticos, reforzando la inestabilidad y potencialmente disipando la energía del haz.

Para probar estas teorías, el equipo de investigación, una colaboración entre la Universidad de Oxford y el Central Laser Facility del Science and Technology Facilities Council (STFC), utilizó la instalación HiRadMat (High-Radiation to Materials) de CERN para generar pares de electrones y positrones con el Super Proton Synchrotron y enviarlos a través de un plasma ambiental de un metro de longitud.

Esto creó un análogo de laboratorio a escala de una cascada de pares impulsada por un blazar que se propaga a través del plasma intergaláctico. Al medir el perfil del haz y las firmas de campo magnético asociadas, los investigadores examinaron directamente si las inestabilidades del haz-plasma podrían interrumpir el jet.

Los resultados fueron sorprendentes. Contrario a las expectativas, el haz de pares se mantuvo estrecho y casi paralelo, con mínima interrupción o campos magnéticos auto-generados. Cuando se extrapolaron a escalas astrofísicas, esto implica que las inestabilidades del haz-plasma son demasiado débiles para explicar la ausencia de rayos gamma de GeV, apoyando la hipótesis de que el medio intergaláctico contiene un campo magnético que probablemente sea un relicto del universo temprano.

El investigador principal, Profesor Gianluca Gregori (Departamento de Física, Universidad de Oxford), comentó: "Nuestro estudio demuestra cómo los experimentos de laboratorio pueden ayudar a cerrar la brecha entre la teoría y la observación, mejorando nuestra comprensión de los objetos astrofísicos desde telescopios satelitales y terrestres. También destaca la importancia de la colaboración entre instalaciones experimentales de todo el mundo, especialmente en la apertura de nuevos caminos para acceder a regímenes físicos cada vez más extremos".

Sin embargo, los hallazgos plantean más preguntas. Se cree que el universo temprano fue extremadamente uniforme y no está claro cómo se pudo sembrar un campo magnético durante esta fase primordial. Según los investigadores, la respuesta puede involucrar nueva física más allá del Modelo Estándar. La esperanza es que instalaciones futuras, como el Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), proporcionen datos de mayor resolución para probar estas ideas más a fondo.

El co-investigador, Profesor Bob Bingham (STFC Central Laser Facility y Universidad de Strathclyde), destacó: "Estos experimentos demuestran cómo la astrofísica de laboratorio puede probar teorías del universo de alta energía. Al reproducir condiciones de plasma relativista en el laboratorio, podemos medir procesos que moldean la evolución de los chorros cósmicos y comprender mejor el origen de los campos magnéticos en el espacio intergaláctico".

El co-investigador, Profesor Subir Sarkar (Departamento de Física, Universidad de Oxford), agregó: "Fue muy divertido ser parte de un experimento innovador como este que añade una nueva dimensión a la investigación de frontera que se realiza en CERN; esperamos que nuestro resultado impactante despierte el interés de la comunidad de física del plasma (astro) para explorar las posibilidades de indagar en preguntas cósmicas fundamentales en un laboratorio de física de alta energía terrestre".