Microcuásares: los motores de partículas más extremos de la Vía Láctea

Resultados recientes del Observatorio de Altura de Chorro de Aire de Alta Altitud (LHAASO) aclararon un enigma de décadas en astrofísica: la caída inusual en el conteo de rayos cósmicos por encima de 3 PeV, conocida como el "knee" en el espectro de energía de los rayos cósmicos. Este fenómeno había permanecido sin explicación desde su identificación hace casi 70 años.

Los investigadores sospecharon que esta caída refleja las energías máximas que pueden alcanzar las fuentes de rayos cósmicos, marcando un cambio en el espectro de un comportamiento de ley de potencia a otro. Dos nuevos estudios, publicados en National Science Review y Science Bulletin, apuntaron a los microcuásares alimentados por agujeros negros como la principal explicación. Estos sistemas compactos actúan como aceleradores de partículas extremadamente potentes dentro de la Vía Láctea y pueden generar las energías asociadas con el "knee".

El equipo de investigación incluyó científicos del Instituto de Física de Altas Energías de la Academia China de Ciencias, la Universidad de Nanjing, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, la Universidad La Sapienza de Roma y varias instituciones adicionales.

LHAASO detectó emisiones de ultra-alta energía de cinco microcuásares

Los agujeros negros en sistemas binarios atraen materia de estrellas compañeras, creando chorros relativistas que transforman estos sistemas en microcuásares. LHAASO detectó rayos gamma de ultra-alta energía de cinco de estos objetos: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 y Cygnus X-1. Esta es la primera vez que se han observado sistemáticamente estas fuentes a tales energías.

Uno de los resultados más destacados provino de SS 433, donde los rayos gamma detectados se superpusieron a una nube atómica masiva. Esto indica fuertemente que el agujero negro acelera protones de alta energía que colisionan con el material circundante. Las energías de protones en SS 433 superaron 1 PeV, y la potencia total alcanzó aproximadamente 10³² julios por segundo, comparable a la energía liberada cada segundo por cuatro billones de las bombas de hidrógeno más poderosas. Otro microcuásar, V4641 Sgr, produjo rayos gamma que alcanzaron 0.8 PeV, identificándolo como otro "super acelerador de partículas PeV". Las partículas progenitoras detrás de estos rayos gamma transportaron energías superiores a 10 PeV.

Estas observaciones confirmaron que los microcuásares son capaces de acelerar partículas a niveles de PeV en toda la Vía Láctea, resolviendo una tensión de larga data en la investigación de rayos cósmicos. Aunque se sabe que los restos de supernovas producen rayos cósmicos, tanto los datos como la teoría sugieren que no pueden explicar las energías observadas en y por encima del "knee".

LHAASO mide energías de protones que antes se creían imposibles de aislar

Comprender el panorama completo requiere mediciones precisas de los espectros de energía de diferentes especies de rayos cósmicos y sus respectivos "knees". Medir el espectro de protones (los núcleos más livianos) es el primer y más crucial paso. Sin embargo, los protones en el rango de energía del "knee" son extremadamente raros, y los detectores satelitales tienen una cobertura limitada, lo que hace que tales observaciones sean extraordinariamente desafiantes. Los métodos basados en tierra introducen interferencias atmosféricas, lo que históricamente dificultó distinguir protones de núcleos más pesados.

Utilizando sus avanzadas instalaciones de detección de rayos cósmicos, LHAASO desarrolló técnicas de análisis multiparamétrico que permitieron a los investigadores identificar una muestra estadísticamente grande y altamente pura de protones. Esto permitió una medición precisa de su espectro de energía que rivaliza con la precisión de los instrumentos basados en satélites. Los resultados revelaron una estructura inesperada: en lugar de un cambio suave entre comportamientos de ley de potencia, el espectro de protones contiene un nuevo "componente de alta energía" distinto.

Múltiples aceleradores cósmicos moldean el entorno de partículas de la Vía Láctea

Combinando los datos de protones del satélite AMS-02 a energías más bajas y las mediciones de energía intermedia del Explorador de Partículas de Materia Oscura (DAMPE), los resultados mostraron que la Vía Láctea alberga múltiples tipos de aceleradores. Cada uno tiene su propio límite de energía característico. El "knee" marca la energía máxima alcanzada por fuentes que producen el nuevo componente de alta energía identificado.

La compleja estructura del espectro de protones sugiere que los rayos cósmicos de PeV son en gran medida producidos por "nuevas fuentes" como los microcuásares, que pueden acelerar partículas a energías significativamente más altas que los restos de supernovas. Esta capacidad les permite generar las partículas responsables del "knee" y aquellas que se extienden más allá de él.

Sistemas de chorros de agujeros negros vinculados directamente al "knee" de rayos cósmicos

En conjunto, los descubrimientos forman una explicación coherente. Resuelven el origen debatido durante mucho tiempo del "knee" y proporcionan evidencia observacional convincente del papel de los sistemas de agujeros negros en la producción de rayos cósmicos. El detector híbrido de LHAASO permite tanto la detección de rayos gamma de alta energía de aceleradores cósmicos como mediciones precisas de los rayos cósmicos que alcanzan el espacio cercano a la Tierra. Esta capacidad dual ofrece nuevas perspectivas sobre los límites de aceleración de fuentes astrofísicas y las firmas espectrales que contribuyen. Por primera vez, los científicos pudieron conectar directamente el "knee" a una clase específica de objetos: los sistemas de chorros de agujeros negros.

LHAASO, diseñado, construido y operado por científicos chinos, se ha convertido en un líder global en la investigación de rayos cósmicos de alta energía debido a su excepcional sensibilidad en astronomía de rayos gamma y mediciones precisas de rayos cósmicos. Sus logros continúan expandiendo la comprensión de los procesos más extremos del universo.