Acelerador cósmico de partículas alcanza límite teórico
Por Deutsches Elektronen-Synchrotron.
10 de marzo de 2022.
Las ondas de choque rápidas adoptan la forma de un reloj de arena a medida que se expanden, en el que se producen los rayos gamma. Esta emisión de rayos gamma es luego detectada por los telescopios HESS (que se muestran en primer plano). Crédito: DESY/HESS, Laboratorio de Comunicación Científica.
Con la ayuda de telescopios especiales, los investigadores han observado un acelerador de partículas cósmicas como nunca antes. Las observaciones realizadas con el Observatorio de Rayos Gamma HESS en Namibia muestran por primera vez el curso de un proceso de aceleración en un proceso estelar llamado nova, que comprende poderosas erupciones en la superficie de una enana blanca. Una nova crea una onda de choque que atraviesa el medio circundante, arrastrando partículas y acelerándolas a energías extremas. Sorprendentemente, la nova "RS Ophiuchi" parece hacer que las partículas se aceleren a velocidades que alcanzan el límite teórico, correspondiente a las condiciones ideales. La investigación ha sido publicada en la revista Science.
Las enanas blancas son viejas estrellas quemadas que colapsaron sobre sí mismas y se convirtieron en objetos extremadamente compactos. Los eventos de novae ocurren, por ejemplo, cuando una enana blanca está en un sistema binario con una estrella grande, y la enana blanca recolecta material de su compañera más masiva debido a su gravedad. Una vez que el material recolectado supera un nivel crítico, provoca una explosión termonuclear en la superficie de la enana blanca. Se sabe que algunas novas se repiten. RS Ophiuchi es una de estas novas recurrentes; hay una explosión en su superficie cada 15 a 20 años. "Las estrellas que forman el sistema están aproximadamente a la misma distancia entre sí que la Tierra y el Sol", explica Alison Mitchell, investigadora de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg e investigadora principal del programa HESS Nova. "Cuando la nova explotó en agosto de 2021, los telescopios HESS nos permitieron observar una explosión galáctica en rayos gamma de muy alta energía por primera vez", continúa.
El grupo de investigación observó que las partículas se aceleraron a energías varios cientos de veces más altas que las observadas previamente en las novas. Además, la energía liberada como resultado de la explosión se transformó de manera extremadamente eficiente en protones acelerados y núcleos pesados, de modo que la aceleración de las partículas alcanzó las velocidades máximas calculadas en modelos teóricos. Según Ruslan Konno, uno de los autores principales del estudio y candidato a doctorado en DESY en Zeuthen, "la observación de que el límite teórico para la aceleración de partículas en realidad se puede alcanzar en ondas de choque cósmicas genuinas tiene enormes implicaciones para la astrofísica. Sugiere que el proceso de aceleración podría ser igual de eficiente en sus parientes mucho más extremos, las supernovas".
Durante la erupción de RS Ophiuchi, los investigadores pudieron por primera vez seguir el desarrollo de la nova en tiempo real, lo que les permitió observar y estudiar la aceleración de partículas cósmicas como si estuvieran viendo una película. Los investigadores pudieron medir los rayos gamma de alta energía hasta un mes después de la explosión. "Esta es la primera vez que hemos podido llevar a cabo observaciones como esta, y nos permitirá obtener conocimientos futuros aún más precisos sobre cómo funcionan las explosiones cósmicas", explica Dmitry Khangulyan, astrofísico teórico de la Universidad de Rikkyo en Tokio, Japón. "Podemos, por ejemplo, descubrir que las novas contribuyen al siempre presente mar de rayos cósmicos y, por lo tanto, tienen un efecto considerable en la dinámica de su entorno inmediato".
Se requirieron telescopios específicos para estas mediciones. La instalación HESS (que significa Sistema Estereoscópico de Alta Energía) en Namibia consta de cinco telescopios Cherenkov que se utilizan para investigar los rayos gamma del espacio. Recientemente se instaló en el telescopio más grande una nueva cámara de última generación altamente sensible, conocida como FlashCam. El diseño de FlashCam se está desarrollando aún más para el observatorio de rayos gamma de próxima generación, el Cherenkov Telescope Array (CTA). "La nueva cámara ha estado en uso desde finales de 2019, y esta medición muestra cuánto potencial tiene la última generación de cámaras", explica Simon Steinmaßl, candidato a doctorado en el Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg, quien participó en analizando los datos de la cámara.
Los telescopios apuntaron hacia la nova en muy poco tiempo después de que los astrónomos aficionados informaran por primera vez sobre la nova a la comunidad astrofísica. El éxito de la observación se debió en gran parte a la rápida reacción de los investigadores y de la comunidad astronómica en general, allanando el camino para extensas observaciones posteriores. El director de HESS, Stefan Wagner, profesor del observatorio regional de Heidelberg, explica: "Durante los próximos años, la investigación con los telescopios CTA mostrará si este tipo de nova es especial". Además, los investigadores ahora tienen una idea más clara de lo que deben buscar. Esto da lugar a una serie de nuevas posibilidades para obtener una mejor comprensión y poder explicar mejor los eventos relacionados con las novas".
Fuente:
https://phys.org/news/2022-03-cosmic-particle-theoretical-limit.html