Un equipo internacional de investigadores dirigido por la Universidad de Oxford ha logrado una primicia mundial al crear una “bola de fuego” de plasma en el Acelerador Súper Sincrotrón de Protones del CERN en Ginebra. Su objetivo era investigar cómo los chorros de plasma de blazares distantes permanecen estables mientras viajan por el espacio.
Los resultados del partido, publicados el 3 de noviembre. PNASPuede ayudar a resolver un gran misterio sobre los rayos gamma desaparecidos del universo y su vasto e invisible campo magnético.
Bluzers y el rompecabezas de los rayos gamma desaparecidos
Un blazar es un tipo de galaxia activa impulsada por agujeros negros supermasivos que emiten potentes y estrechos chorros de partículas y radiación que viajan casi a la velocidad de la luz. Estos haces emiten rayos gamma extremadamente potentes que pueden alcanzar varios teraelectronvoltios (1 TeV = 1012 eV), que es detectado por observatorios terrestres.
A medida que estos rayos gamma TeV viajan a través del espacio intergaláctico, interactúan con la tenue luz de fondo de la estrella, creando una cascada de pares electrón-positrón. Estos pares deberían luego colisionar con el fondo cósmico de microondas, produciendo rayos gamma de baja energía (alrededor de 109 eV o GeV). Sin embargo, los telescopios espaciales de rayos gamma, como el satélite Fermi de la NASA, no observaron esta señal esperada. La razón de esta disparidad se desconoce desde hace mucho tiempo.
Los científicos han propuesto dos posibles explicaciones. Una teoría sugiere que los campos magnéticos débiles dentro de las galaxias desvían los pares electrón-positrón, desviando así los rayos gamma lejos de la Tierra. Otro, basado en la física del plasma, sugiere que los pares se desestabilizan a medida que atraviesan el fino gas que llena el espacio intergaláctico. En esta situación, pequeñas perturbaciones en el plasma crean campos magnéticos y turbulencias que drenan energía del haz.
Reconstrucción de condiciones cosmológicas en el laboratorio.
Para probar estas ideas, el equipo de investigación, que combina la experiencia de Oxford y la Instalación Central de Láser (CLF) del Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas (STFC), utilizó la configuración HiRadMat (alta radiación al material) del CERN. Utilizan un sincrotrón de superprotones para generar haces de pares electrón-positrón y enviarlos a través de un plasma de un metro de largo. El experimento sirvió como una simulación a pequeña escala de cómo un par de blazares caen en cascada a través del material intergaláctico.
Al medir la forma del haz y los campos magnéticos que crea, los investigadores pudieron determinar si la turbulencia del plasma podría ser lo suficientemente fuerte como para interrumpir el flujo del haz.
Resultados sorprendentes apuntan a campos magnéticos antiguos
Los resultados fueron inesperados. En lugar de divergir, los haces del par están estrechamente enfocados y casi paralelos, 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 que los rayos gamma estén ausentes.
El resultado respalda una explicación alternativa: que el medio intergaláctico contiene un campo magnético remanente del universo primitivo.
El investigador principal, el profesor Gianluca Gregory (Departamento de Física de la Universidad de Oxford), dijo: “Nuestra investigación muestra cómo los experimentos de laboratorio pueden ayudar a cerrar la brecha entre la teoría y la observación, mejorando nuestra comprensión de los objetos astrofísicos de los satélites y los telescopios terrestres. Esto resalta la creciente importancia de los experimentos, especialmente en la Tierra. Acceso a regímenes físicos extremos”.
El universo primitivo y el origen del magnetismo
Los resultados plantean nuevas preguntas sobre cómo se pueden generar tales campos magnéticos. Se cree que el universo primitivo era muy uniforme, por lo que es difícil explicar la existencia de campos magnéticos a partir de esa época. Los investigadores sugieren que la respuesta puede implicar 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 coinvestigador profesor Bob Bingham (STFC Central Laser Facility y Universidad de Strathclyde) dijo: “Estos experimentos muestran cómo la astrofísica de laboratorio puede probar teorías del universo de alta energía. Al reproducir las condiciones relativistas del plasma en el laboratorio, podemos medir procesos que pueden comprender mejor la evolución de la vida o el campo de evolución en el espacio intergaláctico”.
El coinvestigador profesor Subir Sarkar (Departamento de Física de la Universidad de Oxford) añadió: “Fue muy divertido ser parte de un experimento tan innovador que añade una dimensión novedosa a la investigación de frontera realizada en el CERN; esperamos que nuestros interesantes resultados despierten el interés en la financiación de cuestiones de la física de la comunidad del plasma (astro). Un laboratorio de física terrestre de alta energía”.
El proyecto reúne a científicos de la Universidad de Oxford, la Instalación Central de Láser (RAL) del STFC, el CERN, el Laboratorio de Energética Láser de la Universidad de Rochester, AWE Aldermaston, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, el Instituto Max Planck de Física Nuclear, la Universidad de Islandia y el Instituto Lauristoni.
