Un rayo cósmico de ultra alta energía procedente de un vacío espacial desconcierta a los astrónomos

Los astrónomos han detectado al segundo rayo cósmico más energético jamás observado: su potencia equivale a unos 40 millones de veces la energía del protón más energético acelerado por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Suiza. Se habría originado en una región del espacio que tiene muy pocas galaxias y que está situada cerca de la Vía Láctea.

Un equipo de astrónomos ha detectado un rayo cósmico de ultra alta energía (UHECR, por sus siglas en inglés) que parece proceder de una región del espacio casi vacía. El origen de este fenómeno, uno de los más energéticos jamás observados, sigue siendo un misterio.

Los rayos cósmicos son partículas subatómicas que viajan por el espacio a velocidades cercanas a la de la luz. La mayoría de ellos provienen del Sol o de otras fuentes dentro de nuestra galaxia, y tienen una energía relativamente baja.

Sin embargo, algunos rayos cósmicos tienen una energía tan alta que supera la capacidad de los aceleradores de partículas más potentes construidos por el ser humano. Estos rayos cósmicos de ultra alta energía son muy raros y difíciles de detectar, y su origen es uno de los grandes enigmas de la astrofísica.

Potente energía

El rayo cósmico que ha captado la atención de los astrónomos se detectó el 27 de mayo de 2021 por el observatorio Telescope Array, situado en Utah, Estados Unidos. Este observatorio cuenta con una red de detectores que cubren una superficie de unos 700 kilómetros cuadrados, lo que le permite captar las señales que producen los rayos cósmicos al chocar con la atmósfera terrestre. Estas señales consisten en una lluvia de partículas secundarias y radiación electromagnética que se propaga en forma de cono.

El rayo cósmico detectado tenía una energía de unos 244 exa-electronvoltios (EeV), lo que equivale a unos 40 millones de veces la energía del protón más energético acelerado por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Suiza. Se trata del segundo rayo cósmico más energético jamás observado, solo superado por el llamado "Oh-My-God" (¡Oh, Dios mío!), que se detectó en 1991 y tenía una energía de unos 320 EeV.

Amaterasu

Los astrónomos han bautizado al nuevo rayo cósmico como Amaterasu, en honor a la diosa del sol de la mitología japonesa. "Cuando descubrí por primera vez este rayo cósmico de ultra alta energía, pensé que debía haber un error, ya que mostraba un nivel de energía sin precedentes en las últimas tres décadas", explica el profesor Toshihiro Fujii, de la Universidad Metropolitana de Osaka, que lideró el estudio.

Lo más sorprendente de este rayo cósmico es que parece proceder de una dirección del espacio donde no hay ninguna fuente conocida capaz de generar una partícula tan energética.

Los astrónomos han rastreado la trayectoria del rayo cósmico y han encontrado que apunta hacia el Vacío Local, una región del espacio que tiene muy pocas galaxias y que está situada cerca de la Vía Láctea. Esta región tiene un diámetro de unos 150 millones de años luz, y se estima que contiene solo un 10% de la densidad media de materia del universo.

¿De dónde vino?

"Los hallazgos muestran que su dirección de llegada no muestra ninguna galaxia fuente obvia, ni ningún otro objeto astronómico conocido que se considere una fuente potencial de UHECR", explican los investigadores en su artículo, publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. "En cambio, su dirección de llegada apunta hacia un vacío en la estructura a gran escala del universo, una región donde residen muy pocas galaxias".

Esto plantea varias posibilidades. Una de ellas es que el rayo cósmico haya sido desviado por los campos magnéticos que existen entre las galaxias, y que su origen real sea otra fuente más lejana y oculta.

Otra posibilidad es que haya alguna fuente desconocida dentro del Vacío Local que sea capaz de generar rayos cósmicos de ultra alta energía. Una tercera opción es que los astrónomos no entiendan bien la física de estas partículas, y que haya algún mecanismo que les permita alcanzar energías tan altas.

Misterio por resolver

Los astrónomos esperan poder resolver este enigma con la ayuda de otros observatorios de rayos cósmicos, como el Pierre Auger en Argentina o el IceCube en la Antártida, e incluso confían en la pendiente actualización del Telescope Array para que sea cuatro veces más sensible que antes. 

También esperan que el futuro Telescopio de Neutrinos de Kilómetro Cuadrado (SKA), que se construirá en Australia y Sudáfrica, pueda aportar más datos sobre el origen de estas partículas extremas.

"Este rayo cósmico de ultra alta energía es una oportunidad única para estudiar la física de las partículas más allá del alcance de los aceleradores de partículas terrestres", concluye el profesor Fujii. "También es una oportunidad para explorar el universo a escalas de energía y distancias que no podemos alcanzar de otra manera".

Referencia

An extremely energetic cosmic ray observed by a surface detector array. Telescope Array Collaboration. Science, 2023 Nov 24;382(6673):903-907. DOi:10.1126/science.abo5095