Científicos de MSU se acercan a resolver el misterio de los rayos cósmicos

Un grupo de astrofísicos de la Universidad Estatal de Michigan (MSU) se encuentra cerca de resolver uno de los mayores misterios de la ciencia espacial: el origen de los rayos cósmicos más energéticos de la galaxia. Recientemente, compartieron sus hallazgos en la 246ª reunión de la American Astronomical Society en Anchorage, Alaska.

Los rayos cósmicos, partículas de alta energía que se mueven a velocidades cercanas a la luz, provienen tanto de la Vía Láctea como de regiones más distantes del universo. Sin embargo, sus puntos de origen específicos han permanecido en la oscuridad desde su descubrimiento en 1912. La profesora asistente de física y astronomía en MSU, Shuo Zhang, y su equipo de investigación realizaron dos estudios que ofrecen nuevas pistas sobre el lugar donde podrían haberse formado estas partículas.

Se cree que estos rápidos movimientos de partículas se generan en entornos extremos, como agujeros negros, regiones de formación estelar o los restos de estrellas explotadas. Estos eventos son capaces de generar neutrinos, partículas diminutas y casi sin masa que atraviesan constantemente el espacio y la Tierra.

"Los rayos cósmicos son mucho más relevantes para la vida en la Tierra de lo que uno podría pensar", afirmó Zhang. "Alrededor de 100 billones de neutrinos cósmicos de fuentes lejanas como agujeros negros pasan a través de tu cuerpo cada segundo. ¿No te gustaría saber de dónde vienen?"

Investigando los aceleradores de partículas más extremos de la naturaleza

Las fuentes que producen rayos cósmicos son lo suficientemente poderosas como para impulsar protones o electrones a energías mucho más allá de lo que los aceleradores de partículas más avanzados creados por el hombre pueden alcanzar. El grupo de Zhang se centra en entender estos aceleradores naturales, denominados PeVatrons, para determinar qué son, dónde se encuentran y cómo impulsan partículas a energías tan extraordinarias. Comprender estos procesos también podría ayudar a los científicos a abordar preguntas más amplias sobre la formación de galaxias y la naturaleza de la materia oscura.

Nuevas perspectivas a partir de estudios de rayos X de candidatos a PeVatron

En sus últimas publicaciones, Zhang y sus estudiantes investigaron candidatos a PeVatron cuyos orígenes aún no se habían identificado. En el primer estudio, el investigador postdoctoral Stephen DiKerby examinó una fuente de alta energía desconcertante encontrada por el Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO). Aunque LHAASO detectó la fuente, su verdadera naturaleza seguía siendo desconocida. Utilizando observaciones de rayos X del telescopio espacial XMM-Newton, DiKerby identificó una nebulosa de viento de pulsar, una región en expansión llena de electrones energéticos y partículas que reciben energía de un pulsar. Este descubrimiento confirmó la clasificación de la fuente como un tipo de nebulosa de viento de pulsar. Solo un número reducido de PeVatrons ha sido clasificado de esta manera.

Observaciones lideradas por estudiantes de fuentes adicionales de LHAASO

El segundo estudio fue realizado por estudiantes de pregrado de MSU: Ella Were, Amiri Walker y Shaan Karim. Utilizaron el telescopio de rayos X Swift de la NASA para examinar señales de rayos X de varias fuentes de rayos cósmicos de LHAASO menos estudiadas. Al calcular límites superiores para la emisión de rayos X, sus resultados podrían guiar futuras investigaciones de objetos similares.

"A través de la identificación y clasificación de fuentes de rayos cósmicos, nuestro esfuerzo puede proporcionar un catálogo integral de fuentes de rayos cósmicos con clasificación", comentó Zhang. "Eso podría servir como un legado para futuros observatorios de neutrinos y telescopios tradicionales para realizar estudios más profundos sobre los mecanismos de aceleración de partículas".

Combinando observaciones de neutrinos, rayos X y rayos gamma

El equipo de Zhang examinará a continuación las fuentes de rayos cósmicos fusionando datos del IceCube Neutrino Observatory con resultados de telescopios de rayos X y gamma. Su objetivo es entender por qué algunas fuentes de rayos cósmicos emiten neutrinos mientras que otras no, así como identificar dónde y cómo se producen esos neutrinos.

"Este trabajo requerirá colaboración entre físicos de partículas y astrónomos", concluyó Zhang. "Es un proyecto ideal para el grupo de física de alta energía de MSU".

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