Científicos resuelven el enigma de los rayos cósmicos vinculando su "rodilla" a agujeros negros

Resultados significativos publicados por el Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) el 16 de noviembre de 2025, resolvieron un misterio que ha perdurado durante décadas sobre el espectro de energía de los rayos cósmicos, que muestra una disminución abrupta por encima de 3 PeV, dándole una forma inusual similar a una "rodilla".

La causa de esta "rodilla" había permanecido sin aclarar desde su descubrimiento hace casi 70 años. Los científicos habían especulado que podría estar relacionada con el límite de aceleración de las fuentes astrofísicas de rayos cósmicos y que refleja la transición del espectro de energía de los rayos cósmicos de una distribución de ley de potencia a otra.

Sin embargo, dos estudios recientes, publicados en National Science Review y Science Bulletin, respectivamente, demostraron que los micro-cuásares impulsados por la acreción de sistemas de agujeros negros son aceleradores de partículas poderosos en la Vía Láctea y son la probable fuente de la "rodilla". Estos estudios también avanzaron en la comprensión de los procesos físicos extremos de los sistemas de agujeros negros.

Micro-cuásares identificados como aceleradores cósmicos

Los agujeros negros, uno de los objetos más enigmáticos del universo, generan chorros relativistas al acrecentar material de estrellas compañeras en sistemas binarios, formando "micro-cuásares". En este estudio, el LHAASO detectó sistemáticamente por primera vez rayos gamma de ultra-alta energía de cinco micro-cuásares: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 y Cygnus X-1.

En particular, se encontró que la radiación de ultra-alta energía de SS 433 se superponía con una nube atómica gigante, sugiriendo fuertemente que los protones de alta energía son acelerados por el agujero negro y colisionan con la materia circundante.

La energía de los protones en este sistema superó 1 PeV, con una potencia total de aproximadamente 10³² julios por segundo, equivalente a la energía liberada por cuatro billones de las bombas de hidrógeno más poderosas. La energía gamma de V4641 Sgr alcanzó 0.8 PeV, convirtiéndolo en otro "acelerador de partículas super PeV", mientras que las partículas progenitoras que generaron estos rayos gamma tenían energías superiores a 10 PeV.

Estos resultados prueban que los micro-cuásares son aceleradores de partículas PeV significativos en la Vía Láctea, abordando un problema de larga data en la ciencia: si bien los restos de supernovas fueron históricamente reconocidos como fuentes de rayos cósmicos, tanto estudios observacionales como teóricos han demostrado que no pueden acelerar los rayos cósmicos a las energías de la "rodilla" y más allá.

Desafíos en la medición de espectros de rayos cósmicos

Para comprender completamente este fenómeno, son necesarias mediciones precisas de los espectros de energía de las diversas especies de rayos cósmicos, incluyendo sus respectivas "rodillas". El primer paso es medir el espectro de energía de los núcleos más ligeros: los protones. Sin embargo, los rayos cósmicos en la región de la "rodilla" son escasos y los detectores satelitales tienen una aceptación limitada, haciendo que la detección sea similar a encontrar una aguja en un pajar.

En las mediciones indirectas basadas en tierra de partículas de rayos cósmicos, es imposible evitar la interferencia atmosférica. Esto dificulta distinguir protones de otros núcleos. Durante mucho tiempo, esta medición fue considerada imposible.

En este estudio, aprovechando su equipo de observación de rayos cósmicos de vanguardia, el LHAASO desarrolló técnicas de medición multiparamétricas y seleccionó una gran muestra estadística de protones de alta pureza, permitiendo la medición precisa de su espectro de energía, con una precisión comparable a la de experimentos satelitales. Esta medición reveló una estructura del espectro de energía que fue completamente inesperada, mostrando claramente un nuevo "componente de alta energía" en lugar de una simple transición entre espectros de ley de potencia.

Múltiples aceleradores moldean los orígenes de los rayos cósmicos

Los nuevos hallazgos del LHAASO, junto con el componente de baja energía medido por el experimento espacial AMS-02 y el componente de energía intermedia medido por el experimento espacial DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), revelaron la existencia de múltiples aceleradores dentro de la Vía Láctea, cada uno con su propia capacidad de aceleración y rango de energía únicos. La "rodilla" representa el límite de aceleración de las fuentes responsables de generar el componente de alta energía.

La compleja estructura del espectro de energía de los protones indica que los protones de rayos cósmicos en el rango de energía PeV provienen principalmente de "nuevas fuentes" como los micro-cuásares, que tienen un límite de aceleración significativamente más alto que el de los restos de supernovas. Esto les permite generar rayos cósmicos de alta energía que superan la "rodilla".

Avances conectan agujeros negros a rayos cósmicos

Estos dos descubrimientos se apoyan mutuamente, presentando un panorama científico integral. Esto no solo marca un avance significativo en la resolución del antiguo misterio del origen de la "rodilla", sino que también ofrece evidencia observacional crucial para entender el papel de los agujeros negros en el origen de los rayos cósmicos.

El diseño del arreglo de detectores híbridos del LHAASO permite la detección de fuentes de rayos cósmicos a través de rayos gamma de ultra-alta energía, mientras permite la medición precisa de partículas de rayos cósmicos en las cercanías del sistema solar. Este enfoque ofrece información sobre las capacidades de aceleración de fuentes a energías PeV y las características espectrales que contribuyen a los rayos cósmicos. Por primera vez, la estructura de la "rodilla" ha sido conectada observacionalmente a un tipo específico de fuente astrofísica: el sistema de chorros de agujeros negros.

El LHAASO, que fue diseñado, construido y es operado por científicos chinos, ha tomado la delantera en la investigación de rayos cósmicos de alta energía debido a su sensibilidad tanto en la exploración astronómica de rayos gamma como en la medición precisa de rayos cósmicos. Ha logrado una serie de descubrimientos que tienen un impacto global, contribuyendo así a nuestro conocimiento de los procesos físicos extremos en el universo.