Los resultados de Milestone publicados el 16 de noviembre por el Gran Observatorio de Lluvias de Aire a Gran Altitud (LHAASO) finalmente aclararon un enigma de décadas de antigüedad en astrofísica: la caída inusual de los rayos cósmicos por encima de 3 PeV que los científicos llaman una “rodilla” en el espectro de energía de los rayos cósmicos.
La causa de esta pronunciada disminución sigue siendo un misterio desde que se identificó por primera vez hace casi 70 años. Los investigadores han sospechado durante mucho tiempo que la característica refleja las energías más altas que pueden alcanzar las fuentes de rayos cósmicos, marcando una transición de un comportamiento de ley de potencia a otro espectro.
Los microcuásares emergen como una posible fuente de “rodillas”.
Dos nuevos estudios, publicados Revista Nacional de Ciencias Y Boletín científico — ahora apuntan a los microcuásares impulsados por la acreción de agujeros negros como la principal explicación. Estos estudios muestran que estos sistemas compactos actúan como aceleradores de partículas muy potentes dentro de la Vía Láctea y pueden generar de forma fiable las fuerzas asociadas con la “rodilla”. Los resultados profundizan la comprensión científica de cómo los sistemas de agujeros negros impulsan procesos físicos extremos.
El equipo de investigación incluyó científicos de la Academia China de Ciencias (CAS), la Universidad de Nanjing, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, la Universidad La Sapienza de Roma y el Instituto de Física de Altas Energías de varias instituciones adicionales.
LHAASO detecta emisiones de energía ultraalta de cinco microcuásares
Los agujeros negros en los sistemas binarios extraen material de las estrellas compañeras, creando chorros relativistas que transforman estos sistemas en “microcuásares”. LHAASO ahora ha detectado rayos gamma de energía ultra alta 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 estas fuentes se observan sistemáticamente a energías tan altas.
Uno de los resultados más interesantes proviene de SS 433, donde los rayos gamma detectados se superponen con una enorme nube nuclear. Esto sugiere fuertemente que los agujeros negros aceleran protones de alta energía que luego chocan con el material circundante. La energía de los protones en SS 433 supera 1 PeV y la energía total alcanza unos 1.032 julios por segundo, un nivel comparable a la energía liberada por cuatro billones de las bombas de hidrógeno más potentes por segundo. Otro microcuásar, el V4641 Sgr, produce rayos gamma que alcanzan los 0,8 PeV, lo que lo convierte en otro “superacelerador de partículas fotovoltaicas”. Las partículas centrales detrás de estos rayos gamma transportan energías superiores a 10 PeV.
Estas observaciones confirman que los microcuásares son capaces de acelerar partículas al nivel de PeV en toda la Vía Láctea. Esto resuelve una tensión de larga data en la investigación de los rayos cósmicos: si bien se sabe que los remanentes de supernovas producen rayos cósmicos, tanto los datos como la teoría sugieren que no pueden explicar las energías observadas en las “rodillas” y arriba.
LHASO también mide energías de protones que antes parecían imposibles de aislar.
Comprender el panorama completo requiere mediciones precisas de los espectros de potencia de las diversas especies de rayos cósmicos y sus distintas “rodillas”. Medir el espectro del protón (el núcleo más ligero) es el primer y más importante paso. Sin embargo, los protones en el rango de energía de la “rodilla” son extremadamente raros y los detectores satelitales tienen una cobertura limitada, lo que hace que tales observaciones sean extraordinariamente desafiantes. Los métodos terrestres introducen interferencia atmosférica, que históricamente ha hecho casi imposible separar protones de núcleos pesados.
Utilizando su avanzada instalación de detección de rayos cósmicos, LHAASO ha desarrollado técnicas de análisis multiparamétrico que permiten a los investigadores detectar una muestra de protones estadísticamente grande y altamente purificada. Esto permitió una medición precisa de su espectro de potencia que rivaliza con la precisión de los instrumentos satelitales. Los resultados revelaron una estructura inesperada: en lugar de una transición suave hacia un comportamiento de ley de potencia, hay un nuevo “componente de alta energía” distintivo en el espectro de protones.
Múltiples aceleradores cósmicos dan forma al entorno de partículas de la Vía Láctea
Combinados con datos de protones del satélite AMS-02 a bajas energías y mediciones de energía intermedia del Dark Matter Particle Explorer (DAMPE), los resultados muestran que la Vía Láctea alberga múltiples tipos de aceleradores. Cada uno tiene su propio límite de potencia característico. La “rodilla” marca la potencia máxima alcanzada por la fuente generadora de material de alta energía recientemente identificada.
La compleja estructura del espectro de protones sugiere que los rayos cósmicos PeV son producidos principalmente por “nuevas fuentes” como los microcuásares, que pueden acelerar partículas a energías significativamente más altas que los restos de supernova. Esta capacidad les permite crear partículas responsables de las “rodillas” y partículas que se extienden más allá de ellas.
Los sistemas de chorros de agujeros negros son “rodillas” conectadas directamente a los rayos cósmicos.
En conjunto, los hallazgos forman una explicación consistente. Resuelven el origen de la “rodilla”, largamente debatido, y proporcionan evidencia observacional convincente del papel de los sistemas de agujeros negros en la creación de rayos cósmicos.
El conjunto de detectores híbridos de LHAASO permite tanto la detección de rayos gamma de alta energía procedentes de aceleradores cósmicos como mediciones precisas de los rayos cósmicos que llegan cerca de la Tierra. Esta doble capacidad proporciona nuevos conocimientos sobre los límites de aceleración de las fuentes astrofísicas y su contribución a la firma espectral. Por primera vez, los científicos han podido conectar directamente las “rodillas” con 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 mundial en la investigación de rayos cósmicos de alta energía debido a su sensibilidad excepcional en astronomía de rayos gamma y mediciones de precisión de rayos cósmicos. Sus logros continúan ampliando la comprensión de los procesos más extremos del universo.
