Revelando un misterio centenario: de dónde provienen los rayos cósmicos de la Vía Láctea

Los astrónomos han logrado por primera vez cuantificar los componentes de protones y electrones de los rayos cósmicos en un remanente de supernova.

Al menos el 70% de los rayos gamma de muy alta energía emitidos por los rayos cósmicos se deben a protones relativistas, según el novedoso análisis de imágenes de radio, rayos X y radiación de rayos gamma. El sitio de aceleración de los protones, los componentes principales de los rayos cósmicos, ha sido un misterio de 100 años en la astrofísica moderna. Esta es la primera vez que se muestra cuantitativamente la cantidad de rayos cósmicos que se producen en un remanente de supernova y es un paso que hace época en la elucidación del origen de los rayos cósmicos.

Desentrañando el origen de los rayos cósmicos galácticos examinando la fuente de los rayos gama

El origen de los rayos cósmicos, las partículas con mayor energía del universo, ha sido un gran misterio desde su descubrimiento en 1912. Debido a que los rayos cósmicos promueven la evolución química de la materia interestelar, comprender su origen es fundamental para comprender la evolución de nuestra galaxia.

 Se cree que los rayos cósmicos son acelerados por los remanentes de supernovas (las secuelas de las explosiones de supernovas) en nuestra Galaxia y viajaron a la Tierra casi a la velocidad de la luz. Los avances recientes en las observaciones de rayos gamma han revelado que muchos remanentes de supernovas emiten rayos gamma a energías de teraelectronvoltios (TeV). Si los rayos gamma son producidos por protones, que son el componente principal de los rayos cósmicos, entonces se puede verificar el origen en remanentes de supernova de los rayos cósmicos. Sin embargo, como los rayos gamma también son producidos por electrones, es necesario determinar cuál de sus orígenes (del protón o del electrón) es dominante y medir la relación de las dos contribuciones (ver también la Figura 1). Los resultados de este estudio proporcionan evidencia convincente de que los rayos gamma se originan en el componente protón, que es el componente principal de los rayos cósmicos, y aclaran que los rayos cósmicos galácticos son producidos por remanentes de supernovas.

Figura 1. Imágenes esquemáticas de la producción de rayos gamma a partir de protones y electrones de rayos cósmicos. Los protones de rayos cósmicos interactúan con protones interestelares como el gas hidrógeno molecular y atómico. La interacción crea un pión neutro que se desintegra rápidamente en dos fotones de rayos gamma (proceso hadrónico). Los electrones de rayos cósmicos energizan los fotones interestelares (principalmente Fondo de Mcroondas Cósmico; CMB) en energía de rayos gamma a través de la dispersión inversa de Compton (proceso leptónico).    
Crédito: Laboratorio de Astrofísica, Universidad de Nagoya

La radiación de rayos gamma está representada por una combinación lineal de componentes de protones y electrones

La originalidad de esta investigación es que la radiación de rayos gamma está representada por una combinación lineal de componentes de protones y electrones. (Fig. 3)

Los astrónomos conocían una relación de que la intensidad de los rayos gamma de los protones es proporcional a la densidad del gas interestelar, obtenida mediante observaciones de imágenes de línea de radio. Por otro lado, también se espera que los rayos gamma de los electrones sean proporcionales a la intensidad de los rayos X de los electrones. Por lo tanto, expresaron la intensidad total de los rayos gamma como la suma de dos componentes de los rayos gamma, una proveniente de los protones y la otra de origen en los electrones. Esto condujo a una comprensión unificada de tres observables independientes (Figura 2). 

Este método se propuso por primera vez en este estudio. Como resultado, se demostró que los rayos gamma de protones y electrones representan el 70% y el 30% del total de rayos gamma, respectivamente. Esta es la primera vez que se cuantifican los dos orígenes. Los resultados también demuestran que los rayos gamma de los protones son dominantes en las regiones interestelares ricas en gas, mientras que los rayos gamma de los electrones se mejoran en las regiones pobres en gas. Esto confirma que los dos mecanismos funcionan juntos y respaldan las predicciones de estudios teóricos previos.

Figura 2. Mapas de intensidad de rayos gamma Ng, densidad de gas interestelar Np e intensidad de rayos X  Nx.  
Crédito: Laboratorio de Astrofísica, Universidad de Nagoya.

Una colaboración internacional

«Este método novedoso no podría haberse logrado sin colaboraciones internacionales», dice el profesor emérito Yasuo Fukui de la Universidad de Nagoya. Dirigió este proyecto y ha cuantificado con precisión la distribución de la densidad del gas interestelar utilizando el radiotelescopio NANTEN y el Australia Telescope Compact Array desde 2003.

La resolución de los rayos gamma era insuficiente para realizar un análisis completo en ese momento, el profesor Gavin Rowell y la Dra. Sabrina Einecke de la Universidad de Adelaida y el equipo de HESS mejoraron drásticamente la resolución espacial y la sensibilidad de los rayos gamma a lo largo de los años, lo que permitió compararlos con precisión con el gas interestelar. 

El Dr. Hidetoshi Sano del Observatorio Astronómico Nacional de Japón dirigió el análisis de imágenes de rayos X de conjuntos de datos de archivo del satélite europeo de rayos X XMM-Newton. 

La Dr. Einecke y el Prof. Rowell trabajaron en estrecha colaboración con el Prof. Fukui y el Dr. Sano en la realización de estudios detallados que examinaron las correlaciones entre los rayos gamma, los rayos X y la emisión de radio. «Este método novedoso se aplicará a más remanentes de supernovas utilizando el telescopio de rayos gamma de próxima generación CTA (Cherenkov Telescope Array) además de los observatorios existentes, lo que avanzará enormemente en el estudio del origen de los rayos cósmicos».

Figura 3. Ajuste tridimensional de un plano expresado por una ecuación de Ng = aNp + b Nx, donde a y b son constantes. 
Los puntos de datos están coloreados por el código en la figura de acuerdo con Ng y se muestran con símbolos llenos y abiertos para los que están arriba y abajo del plano. El azul, el verde, el amarillo y el rojo representan Ng es menor que 1.2 conteos arcmin-2, 1.2-1.7 conteos arcmin -2, 1.7-2.2 conteos arcmin-2 y mayor que 2.2 conteos arcmin-2, respectivamente. Las líneas discontinuas azul, verde, naranja, roja y violeta en el plano de mejor ajuste indican 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 y 3.0 recuentos de arco min−2, respectivamente.   
Crédito: Laboratorio de Astrofísica, Universidad de Nagoya.

El paper

«Persiguiendo el origen de los rayos gamma en RX J1713.7−3946 Cuantificando los componentes hadrónico y leptónico», fue publicado en el Astrophysical Journal el 9 de Julio de 2021, en https://doi.org/10.3847/1538 -4357 / abff4a .

Autores

Yasuo Fukui (Universidad de Nagoya), Hidetoshi Sano (Universidad de Nagoya / Observatorio Astronómico Nacional de Japón), Yumiko Yamane (Universidad de Nagoya), Takahiro Hayakawa (Universidad de Nagoya), Tsuyoshi Inoue (Universidad de Nagoya), Kengo Tachihara (Universidad de Nagoya), Gavin Rowell (Universidad de Adelaida) y Sabrina Einecke (Universidad de Adelaida).

Fuente: Universidad de Nagoya.

Artículo original: «Unveiling a century-old mystery: Where the Milky Way’s cosmic rays come from«. August 23, 2021.

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