CERN genera "bolas de fuego" cósmicas para estudiar el magnetismo del Universo

Un grupo internacional de investigadores liderado por la Universidad de Oxford logró un hito mundial al generar "bolas de fuego" de plasma con el acelerador Super Proton Synchrotron en CERN, Ginebra. Su objetivo fue investigar cómo los jets de plasma de blazares se mantienen estables mientras viajan a través del espacio.

Los resultados del equipo, publicados el 3 de noviembre en PNAS, podrían ayudar a resolver un gran misterio sobre los rayos gamma ausentes del Universo y sus vastos campos magnéticos invisibles.

Blazares y el enigma de los rayos gamma ausentes

Los blazares son un tipo de galaxia activa impulsada por agujeros negros supermasivos que emiten potentes y estrechos jets de partículas y radiación a casi la velocidad de la luz. Estos haces liberan rayos gamma extremadamente energéticos que pueden alcanzar varios teraelectronvoltios (1 TeV = 10¹² eV), los cuales son detectados por observatorios terrestres.

A medida que estos rayos gamma TeV viajan a través del espacio intergaláctico, interactúan con la tenue luz de fondo de las estrellas, produciendo cascadas de pares electrón-positrón. Estos pares deberían colisionar con el fondo cósmico de microondas, creando rayos gamma de menor energía (alrededor de 10⁹ eV, o GeV). Sin embargo, telescopios espaciales de rayos gamma, como el satélite Fermi de NASA, no han observado esta señal esperada. La causa de esta discrepancia ha sido un misterio durante mucho tiempo.

Los científicos han propuesto dos explicaciones posibles. Una teoría sugiere que campos magnéticos débiles entre galaxias desvían los pares electrón-positrón, redirigiendo los rayos gamma resultantes lejos de la Tierra. Otra, basada en la física del plasma, propone que los pares se vuelven inestables al pasar a través del gas tenue que llena el espacio intergaláctico. En este escenario, pequeñas perturbaciones en el plasma generan campos magnéticos y turbulencias que drenan energía del haz.

Recreando condiciones cósmicas en el laboratorio

Para probar estas ideas, el equipo de investigación, que combinó la experiencia de 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. Produjeron haces de pares electrón-positrón utilizando el Super Proton Synchrotron y los enviaron a través de un plasma de un metro de longitud. Este experimento sirvió como una simulación a pequeña escala de cómo se mueve una cascada de pares de un blazar a través de la materia intergaláctica.

Al medir la forma del haz y los campos magnéticos que generó, los investigadores pudieron determinar si las inestabilidades del plasma podrían ser lo suficientemente fuertes como para interrumpir el flujo del haz.

Resultados sorprendentes apuntan a campos magnéticos antiguos

Los hallazgos fueron inesperados. En lugar de desintegrarse, el haz de pares se mantuvo enfocado y casi paralelo, mostrando muy poca perturbación o actividad magnética. Cuando se aplica a escalas cósmicas, esto sugiere que las inestabilidades del plasma por sí solas son demasiado débiles para explicar los rayos gamma ausentes.

El resultado apoya la explicación alternativa: que el medio intergaláctico contiene un campo magnético que quedó del Universo temprano.

El investigador principal, el profesor Gianluca Gregori (Departamento de Física, Universidad de Oxford), afirmó: "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".

El Universo temprano y el origen del magnetismo

Los resultados plantean nuevas preguntas sobre cómo pudo haberse formado tal campo magnético. Se piensa que el Universo temprano fue altamente uniforme, por lo que la existencia de campos magnéticos de esa era es difícil de explicar. Los investigadores sugieren que la respuesta puede involucrar física más allá del Modelo Estándar. Se espera que futuros observatorios, como el Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), proporcionen datos más precisos para explorar estas teorías.

El co-investigador, el profesor Bob Bingham (STFC Central Laser Facility y Universidad de Strathclyde), comentó: "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 jets cósmicos y comprender mejor el origen de los campos magnéticos en el espacio intergaláctico".

El co-investigador, el profesor Subir Sarkar (Departamento de Física, Universidad de Oxford), añadió: "Fue muy divertido ser parte de un experimento innovador como este que añade una nueva dimensión a la investigación de vanguardia que se realiza en CERN. Esperamos que nuestro sorprendente resultado despierte el interés de la comunidad de plasma (astro)física sobre las posibilidades de investigar preguntas cósmicas fundamentales en un laboratorio de física de alta energía terrestre".

El proyecto reunió a científicos de la Universidad de Oxford, el Central Laser Facility del STFC, CERN, el Laboratorio de Energética por Láser de la Universidad de Rochester, AWE Aldermaston, el Laboratorio Nacional de Lawrence Livermore, el Instituto Max Planck de Física Nuclear, la Universidad de Islandia y el Instituto Superior Técnico en Lisboa.