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Se descubrieron rayos cósmicos de un misterioso objeto cercano
Investigadores descubrieron un enigmático exceso de electrones de alta energía que bombardean la Tierra desde el espacio. Aún se desconoce cuál es la fuente de estos rayos cósmicos.
Nov. 19, 2008: Un equipo internacional de investigadores ha descubierto un enigmático exceso de electrones que bombardean la Tierra desde el espacio. Se desconoce cuál es la fuente de estos rayos cósmicos, pero debe de estar cerca del sistema solar y podría estar hecha de materia oscura. Los resultados del descubrimiento se informan en el ejemplar del 20 de noviembre de la revista Nature.
"Este es un gran descubrimiento", dice el coautor del informe John Wefel, de la Universidad Estatal de Louisiana. "Es la primera vez que vemos una fuente discreta de rayos cósmicos acelerados que se destacan sobre el fondo galáctico".
Derecha: Concepto artístico de rayos cósmicos que golpean contra la atmósfera superior de la Tierra. Crédito de la imagen: Simon Swordy, Universidad de Chicago. [Imagen ampliada]
Los rayos cósmicos galácticos son partículas subatómicas aceleradas a casi la velocidad de la luz por explosiones de supernovas distantes y por otros sucesos violentos. Dichos rayos viajan por toda la Vía Láctea, formando una nube de partículas de alta energía que ingresa al sistema solar desde todas direcciones. Los rayos cósmicos están compuestos principalmente por protones y núcleos atómicos más pesados con una "pizca" de electrones y fotones que "condimentan" la mezcla.
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Para estudiar los rayos cósmicos más poderosos e interesantes, Wefel y algunos colegas han pasado los últimos ocho años haciendo volar una serie de globos a través de la estratosfera, sobre la Antártida. En todas esas oportunidades, la carga útil fue un detector de rayos cósmicos financiado por la NASA, llamado ATIC (sigla que en idioma inglés significa: Advanced Thin Ionization Calorimeter o Calorímetro Avanzado de Baja Ionización, en idioma español). El equipo esperaba que el ATIC llevará la cuenta de la mezcla usual de partículas, principalmente de protones e iones, pero el calorímetro descubrió algo extra: abundancia de electrones de alta energía.
Wefel compara esto con conducir por una carretera entre sedanes, furgonetas y camiones, cuando de repente una gran cantidad de Lamborghini irrumpen en el tránsito normal. "Uno no espera ver tantos automóviles de carrera en el camino, o tantos electrones de alta energía en la mezcla de rayos cósmicos". Durante cinco semanas, en las cuales se lanzaron globos, en 2000 y 2003, el ATIC contó 70 electrones en exceso en el rango de energía de 300-800 GeV. ("Exceso" significa sobre y por arriba de la cantidad usual esperada del fondo galáctico.) Setenta electrones puede no sonar como una gran cantidad pero, al igual que setenta Lamborghini en la carretera, es un exceso significativo.
Arriba: Cuentas de electrones de alta energía realizada por el ATIC. La curva triangular ajustada a los datos proviene de un modelo de aniquilación de materia oscura que presenta una partícula Kaluza-Klein con una masa cercana a los 620 GeV. Los detalles se pueden encontrar en la edición de Nature del 20 de noviembre de 2008: "Un exceso de electrones de rayos cósmicos a energías de 300-800 GeV" ("An excess of cosmic ray electrons at energies of 300-800 Gev"), por J. Chang y colaboradores. [Imagen ampliada]
"La fuente de estos exóticos electrones debe de estar relativamente cerca del sistema solar —a no más de un kiloparsec de distancia", dice el coautor de la investigación, Jim Adams, del Centro Marshall para Vuelos Espaciales (Marshall Space Flight Center, en idioma inglés), de la NASA.
¿Por qué debe de estar cerca la fuente? Adams explica: "Los electrones de alta energía pierden energía rápidamente conforme vuelan a través de la galaxia. Se desprenden de la energía principalmente de dos maneras: (1) cuando colisionan con protones de menor energía, en un proceso llamado dispersión inversa de Compton y (2) cuando irradian parte de su energía moviéndose en forma de espiral a través del campo magnético de la galaxia". Para cuando un electrón ha viajado un kiloparsec completo, ya no es de tan 'alta energía'.
Por lo tanto, los electrones de alta energía son locales. Algunos miembros del equipo de investigación creen que la fuente podría estar a menos de unos cientos de parsecs de distancia. A modo de comparación, el disco de la galaxia espiral denominada Vía Láctea mide cerca de treinta mil parsecs de ancho. (Un parsec es equivale a aproximadamente tres años luz.)
"Lamentablemente", dice Wefel, "no podemos ubicar la fuente en el cielo". Aunque el ATIC mide la dirección de las partículas que ingresan, es difícil traducir esos ángulos de ingreso a coordenadas celestes. En primer lugar, el detector estaba alojado en una canasta de un globo que se balanceaba alrededor del Polo Sur en un vórtice turbulento de vientos de gran altitud; eso hace que sea difícil ubicar la fuente. Además, las direcciones de los electrones que ingresan han sido revueltas hasta cierto punto por los campos magnéticos galáticos. "Lo mejor que el ATIC podría esperar es medir una anisotropía general —un lado del cielo respecto del otro ".
Derecha: El detector de rayos cósmicos del ATIC asciende hacia la estratosfera amarrado a un globo de investigación de gran altitud. Más imágenes del lanzamiento: #1, #2, #3.
Esta inexactitud da rienda suelta a la imaginación. Las posibilidades menos exóticas incluyen, por ejemplo, un pulsar cercano, un 'microcuasar' o un agujero negro de masa estelar (todos ellos son capaces de acelerar electrones a estas energías). Es posible que una fuente de este tipo merodee no muy lejos sin ser detectada. El recientemente lanzado Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, de la NASA, está apenas comenzando a examinar el cielo con suficiente sensibilidad como para revelar algunos de estos objetos.
Una posibilidad aún más tentadora es la materia oscura.
Existe una clase de teorías físicas llamadas "teorías de Kaluza-Klein" que busca conciliar la gravedad con otras fuerzas fundamentales, y lo hace proponiendo dimensiones extra. Además de la familiar tridimensión de la experiencia humana, podría haber hasta ocho dimensiones más tejidas en el espacio que nos rodea. Una explicación popular sobre la materia oscura, que todavía no ha sido demostrada, es que las partículas que la forman habitan las dimensiones extra. Nosotros sentimos su presencia mediante la fuerza de gravedad, pero no las detectamos de ninguna otra manera.
¿Cómo es que esto produce rayos cósmicos en exceso? Las partículas de Kaluza-Klein tienen la curiosa propiedad (una de muchas) de ser sus propias antipartículas. Cuando dos de ellas colisionan, se aniquilan mutuamente, produciendo de este modo un rocío de fotones y electrones de alta energía. Sin embargo, los electrones no se pierden en dimensiones escondidas sino que se materializan en las 3 dimensiones del mundo real donde el ATIC puede detectarlas como "rayos cósmicos".
"Nuestros datos podrían ser explicados por una nube o grumo de materia oscura en los alrededores del sistema solar", dice Wefel. "En particular, existe una hipotética partícula Kaluza-Klein con una masa cercana a los 620 GeV que, al ser aniquilada, debería producir electrones con el mismo espectro de las energías que observamos".
El hecho de poner a prueba esta posibilidad no es menor porque la materia oscura es muy, bueno, oscura. Pero puede ser posible encontrar la nube buscando otros productos de la aniquilación, tales como los rayos gamma. De nuevo, el Telescopio Espacial Fermi puede tener la mejor oportunidad de ubicar la fuente.
"Sea lo que sea", dice Adams, "va a ser increíble".
Para obtener más información acerca de esta investigación, consultar "Un exceso de electrones de rayos cósmicos a energías de 300-800 GeV" ("An excess of cosmic ray electrons at energies of 300-800 Gev"), por J. Chang y colaboradores, en el ejemplar del 20 de noviembre de 2008, de Nature.
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Investigadores descubrieron un enigmático exceso de electrones de alta energía que bombardean la Tierra desde el espacio. Aún se desconoce cuál es la fuente de estos rayos cósmicos.
Nov. 19, 2008: Un equipo internacional de investigadores ha descubierto un enigmático exceso de electrones que bombardean la Tierra desde el espacio. Se desconoce cuál es la fuente de estos rayos cósmicos, pero debe de estar cerca del sistema solar y podría estar hecha de materia oscura. Los resultados del descubrimiento se informan en el ejemplar del 20 de noviembre de la revista Nature.
"Este es un gran descubrimiento", dice el coautor del informe John Wefel, de la Universidad Estatal de Louisiana. "Es la primera vez que vemos una fuente discreta de rayos cósmicos acelerados que se destacan sobre el fondo galáctico".
Derecha: Concepto artístico de rayos cósmicos que golpean contra la atmósfera superior de la Tierra. Crédito de la imagen: Simon Swordy, Universidad de Chicago. [Imagen ampliada]
Los rayos cósmicos galácticos son partículas subatómicas aceleradas a casi la velocidad de la luz por explosiones de supernovas distantes y por otros sucesos violentos. Dichos rayos viajan por toda la Vía Láctea, formando una nube de partículas de alta energía que ingresa al sistema solar desde todas direcciones. Los rayos cósmicos están compuestos principalmente por protones y núcleos atómicos más pesados con una "pizca" de electrones y fotones que "condimentan" la mezcla.
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Para estudiar los rayos cósmicos más poderosos e interesantes, Wefel y algunos colegas han pasado los últimos ocho años haciendo volar una serie de globos a través de la estratosfera, sobre la Antártida. En todas esas oportunidades, la carga útil fue un detector de rayos cósmicos financiado por la NASA, llamado ATIC (sigla que en idioma inglés significa: Advanced Thin Ionization Calorimeter o Calorímetro Avanzado de Baja Ionización, en idioma español). El equipo esperaba que el ATIC llevará la cuenta de la mezcla usual de partículas, principalmente de protones e iones, pero el calorímetro descubrió algo extra: abundancia de electrones de alta energía.
Wefel compara esto con conducir por una carretera entre sedanes, furgonetas y camiones, cuando de repente una gran cantidad de Lamborghini irrumpen en el tránsito normal. "Uno no espera ver tantos automóviles de carrera en el camino, o tantos electrones de alta energía en la mezcla de rayos cósmicos". Durante cinco semanas, en las cuales se lanzaron globos, en 2000 y 2003, el ATIC contó 70 electrones en exceso en el rango de energía de 300-800 GeV. ("Exceso" significa sobre y por arriba de la cantidad usual esperada del fondo galáctico.) Setenta electrones puede no sonar como una gran cantidad pero, al igual que setenta Lamborghini en la carretera, es un exceso significativo.
Arriba: Cuentas de electrones de alta energía realizada por el ATIC. La curva triangular ajustada a los datos proviene de un modelo de aniquilación de materia oscura que presenta una partícula Kaluza-Klein con una masa cercana a los 620 GeV. Los detalles se pueden encontrar en la edición de Nature del 20 de noviembre de 2008: "Un exceso de electrones de rayos cósmicos a energías de 300-800 GeV" ("An excess of cosmic ray electrons at energies of 300-800 Gev"), por J. Chang y colaboradores. [Imagen ampliada]
"La fuente de estos exóticos electrones debe de estar relativamente cerca del sistema solar —a no más de un kiloparsec de distancia", dice el coautor de la investigación, Jim Adams, del Centro Marshall para Vuelos Espaciales (Marshall Space Flight Center, en idioma inglés), de la NASA.
¿Por qué debe de estar cerca la fuente? Adams explica: "Los electrones de alta energía pierden energía rápidamente conforme vuelan a través de la galaxia. Se desprenden de la energía principalmente de dos maneras: (1) cuando colisionan con protones de menor energía, en un proceso llamado dispersión inversa de Compton y (2) cuando irradian parte de su energía moviéndose en forma de espiral a través del campo magnético de la galaxia". Para cuando un electrón ha viajado un kiloparsec completo, ya no es de tan 'alta energía'.
Por lo tanto, los electrones de alta energía son locales. Algunos miembros del equipo de investigación creen que la fuente podría estar a menos de unos cientos de parsecs de distancia. A modo de comparación, el disco de la galaxia espiral denominada Vía Láctea mide cerca de treinta mil parsecs de ancho. (Un parsec es equivale a aproximadamente tres años luz.)
"Lamentablemente", dice Wefel, "no podemos ubicar la fuente en el cielo". Aunque el ATIC mide la dirección de las partículas que ingresan, es difícil traducir esos ángulos de ingreso a coordenadas celestes. En primer lugar, el detector estaba alojado en una canasta de un globo que se balanceaba alrededor del Polo Sur en un vórtice turbulento de vientos de gran altitud; eso hace que sea difícil ubicar la fuente. Además, las direcciones de los electrones que ingresan han sido revueltas hasta cierto punto por los campos magnéticos galáticos. "Lo mejor que el ATIC podría esperar es medir una anisotropía general —un lado del cielo respecto del otro ".
Derecha: El detector de rayos cósmicos del ATIC asciende hacia la estratosfera amarrado a un globo de investigación de gran altitud. Más imágenes del lanzamiento: #1, #2, #3.
Esta inexactitud da rienda suelta a la imaginación. Las posibilidades menos exóticas incluyen, por ejemplo, un pulsar cercano, un 'microcuasar' o un agujero negro de masa estelar (todos ellos son capaces de acelerar electrones a estas energías). Es posible que una fuente de este tipo merodee no muy lejos sin ser detectada. El recientemente lanzado Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, de la NASA, está apenas comenzando a examinar el cielo con suficiente sensibilidad como para revelar algunos de estos objetos.
Una posibilidad aún más tentadora es la materia oscura.
Existe una clase de teorías físicas llamadas "teorías de Kaluza-Klein" que busca conciliar la gravedad con otras fuerzas fundamentales, y lo hace proponiendo dimensiones extra. Además de la familiar tridimensión de la experiencia humana, podría haber hasta ocho dimensiones más tejidas en el espacio que nos rodea. Una explicación popular sobre la materia oscura, que todavía no ha sido demostrada, es que las partículas que la forman habitan las dimensiones extra. Nosotros sentimos su presencia mediante la fuerza de gravedad, pero no las detectamos de ninguna otra manera.
¿Cómo es que esto produce rayos cósmicos en exceso? Las partículas de Kaluza-Klein tienen la curiosa propiedad (una de muchas) de ser sus propias antipartículas. Cuando dos de ellas colisionan, se aniquilan mutuamente, produciendo de este modo un rocío de fotones y electrones de alta energía. Sin embargo, los electrones no se pierden en dimensiones escondidas sino que se materializan en las 3 dimensiones del mundo real donde el ATIC puede detectarlas como "rayos cósmicos".
"Nuestros datos podrían ser explicados por una nube o grumo de materia oscura en los alrededores del sistema solar", dice Wefel. "En particular, existe una hipotética partícula Kaluza-Klein con una masa cercana a los 620 GeV que, al ser aniquilada, debería producir electrones con el mismo espectro de las energías que observamos".
El hecho de poner a prueba esta posibilidad no es menor porque la materia oscura es muy, bueno, oscura. Pero puede ser posible encontrar la nube buscando otros productos de la aniquilación, tales como los rayos gamma. De nuevo, el Telescopio Espacial Fermi puede tener la mejor oportunidad de ubicar la fuente.
"Sea lo que sea", dice Adams, "va a ser increíble".
Para obtener más información acerca de esta investigación, consultar "Un exceso de electrones de rayos cósmicos a energías de 300-800 GeV" ("An excess of cosmic ray electrons at energies of 300-800 Gev"), por J. Chang y colaboradores, en el ejemplar del 20 de noviembre de 2008, de Nature.
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