24 de noviembre de 2008

Manchas calientes desafiantes en el cielo en rayos cósmicos

Imagen: Abdo et al.

Exceso de flujos de rayos cósmicos inusualmente localizados de origen desconocido se han observado con una energía de 10 TeV. Varias explicaciones están siendo consideradas, pero no son convincentes.

Casi un siglo después de su descubrimiento, los rayos cósmicos de alta energía (partículas de altas energías provenientes del espacio) continúan confrontando a los científicos con características inesperadas. Los rayos cósmicos constituyen una parte importante de la energía de las galaxias y son también conocidos por sus extremos: el flujo de rayos cósmicos cubre una gama de más de 32 órdenes de magnitud con energías que llegan hasta 10elevado a la 20 eV y aún más. A pesar de muchos hallazgos importantes, las cuestiones cruciales siguen sin respuesta: ¿cuáles son y dónde están las fuentes de los rayos cósmicos? La dificultad en la solución de este enigma se debe principalmente al hecho que los rayos cósmicos (es decir, el componente que no es fotones) no apuntan a su fuente, sino que están sujetas a una fuerte flexión por los campos magnéticos cósmicos. Las múltiples desviaciones resultan efectivamente en un proceso de difusión de los rayos cósmicos en el ambiente galáctico que causan un alto nivel de isotropía en la Tierra. En particular, no hay fuentes puntuales de rayos cósmicos que deban ser visibles en las escalas de energía de TeV, donde un típico radio de Larmor (el radio del movimiento circular de las partículas cargadas en un campo magnético) en el disco galáctico es relativamente pequeño, sólo alrededor de 100 unidades astronómicas.

Este escenario generalmente aceptado y apoyado experimentalmente se ha puesto en tela de juicio debido a los nuevos datos de un experimento detector de rayos cósmicos llamado Milagro. En un trabajo científico publicado en la revista Physical Review Letters, el equipo de investigación de Milagro informó sobre dos regiones localizadas de exceso de rayos cósmicos y discuten las distintas hipótesis para explicar su observación. Sin embargo, no existe actualmente ninguna explicación de las manchas calientes, lo que sugiere que ha llegado el momento de hacer una nueva mirada al origen y la propagación de los rayos cósmicos galácticos, incluidos los efectos de la interacción del Sistema Solar con el medio interestelar (en la región llamada heliosfera).

Milagro es un detector de agua del chubasco del efecto Cherenkov en el aire, situado en Nuevo México, en los Estados Unidos, a 2600 m sobre el nivel del mar. Básicamente, se trata de un estanque de 23 millones de litros sobre un área de 60 × 80 metros cuadrados y 8 metros de profundidad, cubierto por una lámina metálica liviana y hermética. Más de 700 válvulas fotomultiplicadoras dispuestas en una capa en la parte inferior y superior de cada uno detectan la tenue luz de Cherenkov producida por partículas cargadas de amplios chubascos en el aire. Un conjunto de estaciones de detección de partículas esparcidas rodea al estanque y permite la separación eficiente entre los chubasco de aire iniciados por fotones de los creados por hadrones.

El objetivo principal de Milagro es el estudio del cielo en rayos gamma en el rango de energía de los TeV. Otras instalaciones, conocidas como Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACT, por las siglas en inglés para telescopios de imágenes de Cherenkov atmosférico), realizan esos estudios con mucho éxito y llegan a un nivel muy alto de sensibilidad para captar las fuentes más débiles. Sin embargo, hay dos desventajas de estos telescopios: su pequeño campo de visión requiere apuntar los telescopios hacia objetos específicos, y que para la observación atmosférica de la luz de Cherenkov se limita a las noches claras y sin Luna (~ 10% del ciclo de trabajo). En lugar de ello, Milagro observa casi todo el cielo sobre el horizonte durante todo el día (90% del tiempo útil), pero está limitado por la resolución direccional más pobres y peor gamma / Hadron discriminación. Por lo tanto, Milagro complementa a IACT y resulta ideal relevamientos de todo el cielo.

En estudios anteriores, donde se buscaban fuentes puntuales o difusas de los flujos de fotones de rayos gamma, el equipo de Milagro aplicó estrictas normas de selección para filtrar los fotones de los chubascos inducidos por hadrones, que son alrededor de 1000 veces más abundantes. Ahora, en su nuevo análisis, el corte por el rechazo de los rayos cósmicos de fondo fue omitido, presentando a los experimentadores más de 10 elevado a 11 eventos recogidos durante siete años de toma de datos.

Cuando se generó un mapa de la señal de la dirección de llegada de los chubascos enriquecidos por los rayos cósmicos, sorprendentemente, los investigadores encontraron dos regiones cercanas de amplios excesos. Las posibles causas sistemáticas han sido examinadas y excluidas. Los excesos se presentan ligeramente más intensos en invierno que en verano, que son altamente incompatibles con la emisión pura de rayos gamma, y la distribución de energía en las regiones de excesos parecen más duras (es decir, desplazadas a más altas energías) que en el fondo con picos de emisiones en alrededor del 10 TeV.

"Nuestro observatorio es único en el sentido que podemos detectar eventos de energía lo suficientemente baja de tal forma que fuimos capaces de registrar suficientes encuentros de rayos cósmicos para ver un exceso estadísticamente significativo procedente de dos regiones distintas del cielo", dijo la colaboradora de Milagro Brenda Dingus.

Debido a que Milagro fue capaz de registrar tantos eventos de rayos cósmicos, los investigadores fueron capaces por primera vez de ver picos estadísticos en el número de eventos originados en regiones específicas del cielo cerca de la constelación de Orión. La región con el mayor nivel de rayos cósmicos es una diana concentrada por encima y a la derecha visualmente de Orión, cerca de la constelación de Tauro. El otro punto es una región en forma de coma que está visualmente cerca de la constelación de Géminis.

Pero los investigadores no pueden estar seguros de que han situado con precisión las fuentes de los rayos cósmicos. "Sea cual sea la fuente de los protones que observamos con Milagro, su camino a la Tierra es desviado por el campo magnético de la Vía Láctea de tal forma que no podemos decir exactamente dónde se originan", dijo Goodman. "Y si las regiones de exceso vistas por Milagro apuntan realmente a una fuente de rayos cósmicos, o si son el resultado de algún otro efecto cercano desconocido es una pregunta importante generada por nuestras observaciones".

El equipo de Milagro ha notado una coincidencia direccional de la más fuerte de los dos focos de tensión con la heliocola. La heliocola se encuentra en la dirección opuesta a la propuesta del Sistema Solar con respecto al medio interestelar local (ISM), pero no hay ningún modelo de aceleración de rayos cósmicos en esta región, por lo que puede ser puramente casual.

Salvati y Sacco señalan que los puntos calientes, que están separados entre sí por un ángulo de unos 50 °, abarcan a Geminga, el pulsar que es resultado de una supernova relativamente joven (~ 300.000 años) y cercana (~ 150 parsecs). La hipótesis que los puntos calientes son transitorias reliquias de la supernova Geminga o, más generalmente, relacionadas con un mecanismo de aceleración TeV cercano es plausible, pero no puede ser demostrado aún. Asimismo, es cuestionable la razón de por qué la explosión dio lugar a tales características discretas localizadas visible en los rayos cósmicos.

Drury y Aharonian proponen un modelo más general sobre la base de la fuga de partículas a través de una trampa magnética a partir de una fuente local. Un campo magnético en espejo entre la trampa y el vecindario solar, suponiendo parámetros plausibles presumiblemente asociados con una nube molecular cercana, podría describir cualitativamente todas las características observadas. Una vez más, este modelo está específicamente construido para explicar las observaciones y aún es necesario corroborar esta interpretación.

Desde el punto de vista experimental, necesitamos de datos independientes para confirmar los resultados Milagro. El experimento de chubascos de rayos gamma del Tíbet ha reunido incluso más datos que Milagro y, de hecho, se encontraron algunas similitudes en sus mapas del cielo. Además, descubrió anisotropía en rayos cósmicos alrededor de la región de Cygnus y encontró una co-rotación de los rayos cósmicos galácticos con el ambiente magnético local galáctico. Es altamente deseable que refinen su análisis para verificar el resultado de Milagro. Además, el estudio de la variación estacional del exceso y la comparación con datos de muones subterráneos de Nagashima y colaboradores podrá arrojar alguna luz sobre la coincidencia con la heliocola.

Importantes complementos a esta visión vendrán pronto con las observaciones de rayos cósmicos de electrones de alta energía. Ellos están sometidos a pérdidas por radiación de sincrotrón y dispersión Compton inversa y, por tanto, no pueden viajar muy lejos de sus fuentes, lo que los hace sondas sensibles para las fuentes cercanas galácticas y su propagación. El telescopio espacial Fermi de rayos gamma, anteriormente conocido como GLAST, ha sido lanzado con éxito en junio de 2008 y entregará datos de alta calidad electrónica en rangos relevantes de energía a partir de 10 GeV a 1 TeV. Estos datos, junto con los controles cruzados ya mencionados, ayudarán a entender los muy interesantes puntos calientes y, más en general, proporcionará las respuestas sobre el origen y la propagación de los rayos cósmicos galácticos. Responder a la pregunta acerca de su origen antes de la celebración del centenario de su descubrimiento es un desafío.

(jg) (mg)

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