Durante décadas, los científicos han estado desconcertados por una curva pronunciada en el espectro de energía de los rayos cósmicos, conocida como “rodilla”, en alrededor de 3 PeV (petaelectrón voltios). Ahora, resultados innovadores del Gran Observatorio de Lluvias de Aire a Gran Altitud (LHAASO) confirman que los potentes aceleradores de partículas dentro de los sistemas de agujeros negros (específicamente, los microcuásares) son la fuente probable de este fenómeno cósmico. Este descubrimiento no sólo resuelve un misterio de larga data, sino que también revela el papel fundamental que desempeñan los agujeros negros en la formación de rayos cósmicos de alta energía dentro de nuestra galaxia.
El rompecabezas de décadas de antigüedad de la rodilla de rayos cósmicos
Los rayos cósmicos, partículas de alta energía que bombardean la Tierra desde el espacio, exhiben un espectro en el que el número de partículas disminuye al aumentar la energía. Sin embargo, alrededor de 3 PeV, el espectro adopta una forma distintiva de “rodilla”: una caída repentina en el recuento de partículas. La causa de este cambio abrupto permaneció desconocida durante casi 70 años, con teorías que apuntaban a limitaciones en los procesos de aceleración astrofísica.
El avance de LHAASO: los microcuásares como aceleradores cósmicos
Estudios recientes, publicados en National Science Review y Science Bulletin, demuestran que los microcuásares (sistemas binarios donde un agujero negro acumula material de una estrella compañera) son capaces de acelerar partículas a energías PeV. LHAASO detectó sistemáticamente rayos gamma de energía ultraalta de cinco microcuásares: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 y Cygnus X-1.
Se descubrió que la radiación de ultra alta energía de SS 433 se superpone con una nube atómica gigante, lo que indica que el agujero negro acelera los protones de alta energía y chocan con la materia circundante. La energía de los protones en este sistema superó 1 PeV, con una potencia total equivalente a cuatro billones de bombas de hidrógeno detonadas por segundo. V4641 Sgr exhibió una energía de rayos gamma que alcanzó 0,8 PeV, lo que lo convierte en otro “superacelerador de partículas PeV”.
Por qué los restos de supernova no son suficientes
Históricamente, los restos de supernovas se consideraban la fuente principal de rayos cósmicos. Sin embargo, estudios observacionales y teóricos han demostrado que carecen de energía para acelerar partículas a niveles de PeV y más allá. Los hallazgos de LHAASO confirman que los microcuásares llenan este vacío, proporcionando las capacidades de aceleración necesarias para producir el componente de alta energía de los rayos cósmicos.
El desafío de medir los espectros de rayos cósmicos
Medir con precisión los espectros de energía de los rayos cósmicos, especialmente los de los protones, es extremadamente difícil. La región de la “rodilla” es escasa, lo que hace que la detección sea similar a encontrar una aguja en un pajar. Las mediciones terrestres se ven complicadas por la interferencia atmosférica, lo que dificulta distinguir los protones de otros núcleos. LHAASO superó estos desafíos aprovechando su avanzado equipo de observación y desarrollando técnicas de medición multiparamétrica.
Múltiples aceleradores dan forma al paisaje de rayos cósmicos
Los hallazgos de LHAASO, combinados con datos de los experimentos espaciales AMS-02 y DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), revelan una imagen compleja. La galaxia contiene múltiples aceleradores, cada uno con sus propias capacidades y rango de energía únicos. La “rodilla” representa el límite de aceleración de las fuentes responsables de generar el componente de alta energía, y los microcuásares desempeñan un papel crucial.
Conectando agujeros negros a la rodilla de rayos cósmicos
El diseño de matriz de detectores híbridos de LHAASO permite la detección de fuentes de rayos cósmicos a través de rayos gamma de energía ultra alta, al tiempo que permite una medición precisa de partículas de rayos cósmicos. Este enfoque proporciona información sobre las capacidades de aceleración de las fuentes en energías PeV y las características espectrales que aportan a los rayos cósmicos. Por primera vez, la estructura de la “rodilla” ha sido conectada mediante observación a un tipo específico de fuente astrofísica: el sistema de chorros de agujeros negros.
Un avance chino en la investigación de los rayos cósmicos
LHAASO, diseñado, construido y operado por científicos chinos, ha tomado la delantera en la investigación de rayos cósmicos de alta energía debido a su sensibilidad tanto en astronomía de rayos gamma como en medición de precisión de rayos cósmicos. Su serie de descubrimientos ha tenido un impacto global, contribuyendo a nuestro conocimiento de los procesos físicos extremos en el universo.
En conclusión, los hallazgos de LHAASO proporcionan evidencia definitiva de que los sistemas de agujeros negros, específicamente los microcuásares, son la fuente principal de rayos cósmicos de alta energía responsables de la “rodilla” en el espectro energético. Este avance no sólo resuelve un misterio de décadas de antigüedad, sino que también establece un vínculo crítico entre los agujeros negros y la aceleración extrema de partículas que ocurre en nuestra galaxia.
