Otro de los grandes problemas de la física actual es explicar por que llegan a la tierra rayos cósmicos exogalácticos que no deberían llegar.
Durante más de una década, los físicos japoneses han estado observando rayos cósmicos que no debieran existir. Los rayos cósmicos son partículas (en su mayoría protones, pero a veces también núcleos pesados completos) que viajan a través del universo a velocidades cercanas a la de la luz. Algunos rayos cósmicos detectados en la Tierra han sido producidos en eventos catastróficos tales como las supernovas, pero todavía no conocemos el origen de los rayos cósmicos de alta energía, que constituyen las partículas más energéticas de la naturaleza. Pero ese no es el verdadero misterio.
| Desintegración de los rayos cósmicos |
A medida que las partículas de los rayos cósmicos viajan por el espacio, pierden energía al colisionar con los protones de baja energía que llenan el espacio, tales como los de la radiación de microondas de fondo. La teoría especial de la relatividad de Einstein obliga a que cualquier rayo cósmico que llegue a la Tierra procedente de una fuente extragaláctica haya sufrido una disminución tal de su energía que su mayor energía posible sea de 5 x 1019 electronvolts. Esto se conoce como Límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin (LGZK).
A lo largo de la década pasada, sin embargo, el Grupo Gigante de Detectores de Partículas Aéreas Akeno, de la Universidad de Tokyo (un grupo de 111 detectores desparramados en un área de más de 100 kilómetros cuadrados) ha detectadp varios rayos cósmicos que sobrepasan el LGZK. En teoría, sólo pudieron provenir del interior de nuestra propia galaxia, evitando de este modo un largo viaje que disminuyese su energía. Sin embargo, los astrónomos no han podido encontrar ninguna fuente para tales rayos en nuestra galaxia.
¿Qué está ocurriendo?
Una posibilidad es que los resultados del Akeno estén equivocados. El otro es que Einstein estuviera equivocado. Su teoría especial de la relatividad dice que el espacio es igual en todas direcciones, pero ¿qué pasa si las partículas encuentran menos resistencia al moverse en ciertas direcciones? Entonces, los rayos cósmicos podrían conservar más de su energía, permitiéndoseles superar el LGZK.
Los físicos del experimento de Pierre Auger en Mendoza, Argentina, están en estos momentos trabajando en este problema. Utilizando 1600 detectores desperdigados sobre 3000 km2, Auger debiera poder determinar las energías de los rayos cósmicos que llegan a la Tierra y echar más luz sobre los resultados del Akeno.
El británico Alan Watson, astrónomo de la Universidad de Leeds y portavoz oficial de la expedición de Auger, ya está convencido de que algo hace que valga la pena seguir en esas soledades. “No tengo dudas de que existen eventos de más de 1020 electronvolts. Hay suficientes ejemplos como para convencerme”, afirma. La pregunta ahora es: ¿qué son? ¿Cuántas de esas partículas llegan hasta nosotros, y de qué dirección vienen? Hasta que no tengamos esa información, no hay modo de predecir cuán exótica será la respuesta.
El británico Alan Watson, astrónomo de la Universidad de Leeds y portavoz oficial de la expedición de Auger, ya está convencido de que algo hace que valga la pena seguir en esas soledades. “No tengo dudas de que existen eventos de más de 1020 electronvolts. Hay suficientes ejemplos como para convencerme”, afirma. La pregunta ahora es: ¿qué son? ¿Cuántas de esas partículas llegan hasta nosotros, y de qué dirección vienen? Hasta que no tengamos esa información, no hay modo de predecir cuán exótica será la respuesta.
¿Podría ser que la energía oscura “acelerara” estas partículas, devolviéndoles la energía perdida en su viaje una y otra vez hasta alcanzar de nuevo el Límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin ?
Mensajeros del Gran Más Allá
Estos rayos cósmicos, descubiertos en 1912, son partículas subatómicas. El núcleo de la mayor parte es del hidrógeno (protones desnudos) y helio, pero también de algunos de elementos más pesados como el oxígeno, carbono, nitrógeno o incluso hierro. El Sol y otras estrellas emiten rayos cósmicos de energía relativamente baja, mientras que los rayos cósmicos de energía media proceden de estrellas en explosión.
El origen de los rayos cósmicos de energía ultra-alta, como hemos dicho ha sido un misterio durante casi un siglo. El reciente resultado del observatorio Auger han dado ventaja a la popular teoría de que se originan en los núcleos galácticos activos. Son 100 millones de veces más energéticos que cualquier cosa generada en un acelerador de partículas en la Tierra. La energía de una de tales partículas subatómicas ha sido comparado con la de un ladrillo de plomo soltado desde una altura de 30 cm o con el impacto de una bola de béisbol golpeándote en la cabeza.
“Apartándonos de los arcanos de la física, estamos hablando de comprender el origen de las partículas más energéticas producidas por los mayores procesos de aceleración del universo”, dice. “Es una cuestión de cuánta energía puede empaquetar el universo en estas partículas extraordinariamente diminutas conocidas como rayos cósmicos. … Cómo de alta puede ser la energía, en principio es algo desconocido. Para el momento en que llegan hasta nosotros, han perdido tal energía”.
Añade: “Observar los procesos de energía en el límite de lo que es posible en el universo nos dirá cómo de bien entendemos la naturaleza”.
Los rayos cósmicos de energía ultra-alta se considera que están sobre el trillón de electrón voltios.
El rayo cósmico más energético jamás encontrado se detectó en Utah en 1991 y portaba una energía de 300 trillones de electrón voltios. Fue detectado por el observatorio origina Ojo de Mosca de la Universidad de Utah, el cual fue construido en Dugway durante 1980-1981 y mejorado en 1986. Se construyó un observatorio mejor durante 1994-1999 al que se llamó HiRes.
Jui dice que durante sus años de operación, HiRes detectó sólo 4 de los rayos cósmicos de más alta energía – aquellos con energías por encima de 100 trillones de electrón voltios. AGASA detectó 11, incluso aunque tenía un cuarto de la sensibilidad de HiRes.
El nuevo estudio cubre las operaciones de HiRes durante 1997 hasta 2006, y los rayos cósmicos por encima del límite de GZK de 60 trillones de electrón voltios. Durante tal periodo, el observatorio detectó 13 de tales rayos cósmicos, comparado con los 43 que se esperarían sin el límite. Por lo que la detección de sólo 13 indica que el límite de GZK es real, y que la mayoría de los rayos cósmicos de energía ultra-alta quedan bloqueados por la radiación del fondo de microondas cósmico por lo que pocos llegan a la Tierra sin perder energía.
La discrepancia entre HiRes y AGASA se cree que radica en sus distintos métodos de medir los rayos cósmicos.
HiRes usó un conjunto de espejos de múltiples caras (como el ojo de una mosca) y un fotomultiplicador para detectar los débiles destellos fluorescentes ultravioleta en el cielo generados cuando las partículas de rayos cósmicos golpean la atmósfera de la Tierra. Sokolsky y el físico de la Universidad de Utah George Cassiday ganaron el prestigioso Premio Panofsky 2008 por el desarrollo de tal método.
HiRes medía la energía y dirección de un rayo cósmico más directamente y con más fiabilidad que AGASA, la cual usaba un conjunto en parrilla de “contadores de destellos” sobre el suelo.
La búsqueda continúa
La Universidad de Tokio, la Universidad de Utah y otros científicos usan ahora el nuevo observatorio de rayos cósmicos del Conjunto de Telescopio de 17 millones de dólares al oeste de Delta en Utah, el cual incluye tres grupos de detectores fluorescentes y 512 detectores de destellos dispersos a lo largo de 600 kilómetros cuadrados – en otras palabras, los dos métodos que produjeron los resultados conflictivos en HiRes y AGASA. Un objetivo es comprender porqué los detectores de tierra dieron un recuento inflado del número de rayos cósmicos de energía ultra-alta.
El Conjunto de Telescopio también intentará explicar el número aparentemente bajo de rayos cósmicos a energías aproximadamente 10 veces menores que el límite de GZK. Este descenso en “forma de rodilla” en el espectro de rayos cósmicos es una carencia de rayos cósmicos en energías de aproximadamente 5 trillones de electrón voltios.
Sokolsky dice que existe debate sobre si la “rodilla” representa el rayo cósmico que agota su energía tras ser expulsada de estrellas en explosión dentro de nuestra galaxia, o la pérdida de energía predicha cuando los rayos cósmicos de energía ultra-alta de fuera de nuestra galaxia colisionan con el brillo del Big Bang, generando electrones y positrones de antimateria.
El Conjunto de Telescopio y los observatorios Auger seguirán buscando el origen de extraños rayos cósmicos de energía ultra-alta que evaden el brillo del Big Bang y alcanzan la Tierra.
“La suposición más razonable es que proceden de una clase de núcleos galácticos activos conocidos como blazars”, dice Sokolsky.
Tal centro galáctico se sospecha que alberga un agujero negro supermasivo en su interior con la masas de mil millones de soles aproximadamente. Cuando la materia es absorbida en el agujero negro, la materia cercana es expulsada hacia fuera en forma de un chorro similar a un rayo. Cuando tal chorro se apunta hacia la Tierra, la galaxia es conocida como blazar.
“Es como mirar a través del cañón de un arma”, dice Sokolsky. “Esos muchachos son los candidatos más probables para la fuente de rayos cósmicos de energía ultra-alta”.
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