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Mecanismo explica cómo la más energética forma de luz puede producirse en áreas dominadas por estrellas jóvenes



Cuando en el año del 2002, los astrónomos detectaron por primera vez los rayos gamma cósmicos (la forma más energética de luz conocida), provenientes de la constelación del Cisne, fueron sorprendidos y quedaron perplejos ante el hecho. La región observada carecía de los campos electromagnéticos extremos necesarios para producir estos rayos energéticos. Pero ahora, un equipo de físicos teóricos ha propuesto un mecanismo que puede explicar este misterio y ayudar, también, a explicar otros tipos de rayos cósmicos: los núcleos altamente energéticos que caen como "lluvia" hacia la Tierra en cantidades multimillonarias.

El nuevo mecanismo es descrito en la revista Physical Review Letters publicado en línea el 20 de marzo de 2007.

El estudio teórico es liderado por Thomas Weiler, profesor de Física en Vanderbilt, conjuntamente con Luis Anchordoqui de la Universidad de Winsconin-Milwaukee, John Beacon de la Universidad Estatal de Ohio, Haim Goldberg de la Universidad del NorEste y Sergio Palomares-Ruiz de la Universidad de Durham.

Los métodos existentes para producir rayos gama cósmicos requieren de campos electromagnéticos muy fuertes, encontrados sólo en las condiciones más extremas del Universo, tales como las explosiones estelares y las regiones que rodean a los agujeros negros masivos encontrados en los núcleos de muchas galaxias. Esto no explica como la región denominada "starbust" o región de formación estelar en la constelación del Cisne, dominada por estrellas brillantes, calientes y jóvenes, produce estos rayos energéticos. El nuevo mecanismo propuesto, sin embargo, muestra como dos componentes en esta área - núcleos rápidos encontrados en vientos estelares y luz ultravioleta- pueden interactuar para producir rayos gamma cósmicos.

Los rayos gamma proveen una invisible pero importante relación entre la Tierra y el resto del Universo. Tienen un número de efectos sutiles en nuestra vida diaria. Ellos causan cambios químicos en el suelo y las rocas, así como los relámpagos; algunos científicos sugieren que pueden afectar el clima al influir en los procesos de formación de nubes. Los chips de los circuitos de las computadoras son tan pequeños en la actualidad que los rayos cósmicos individuales pueden causar errores en las computadoras no reproducibles, y los rayos cósmicos incrementan el riesgo de cáncer entre los pasajeros frecuentes que viajan en los aviones. Hay también especulaciones de que las ondas de los rayos cósmicos que fluían debajo de los brazos espirales de la galaxia, pudieron haber contribuido a pasados episodios de extinciones masivas en la Tierra.

Desde que los rayos cósmicos fueron descubiertos en 1912 en experimentos de globos, los científicos han sido maravillados con la tremenda energía que ellos tienen y han especulado acerca de sus orígenes. Originalmente, todos los investigadores sabían que todos ellos provenían del espacio exterior. Actualmente, los científicos conocen que los rayos cósmicos consisten en una gran variedad de objetos diferentes, que incluyen rayos gamma, protones, electrones y núcleos de diferente tamaño y diferentes elementos. Ellos también saben de dónde provienen. Muchos rayos cósmicos de baja energía son producidas por nuestro Sol. Sin embargo, los rayos gamma de alta energía provienen de lugares distantes del Universo.

Después de años de estudio, los rayos cósmicos continúan guardando sus secretos. Por ejemplo, los rayos cósmicos de protones más energéticos tienen el equivalente al golpe de una bola rápida lanzada en el béisbol. En el béisbol, billones y billones de partículas nucleares comparten esta energía. Los rayos cósmicos energéticos han demostrado que tienen varias maneras de "empaquetar" la misma cantidad de energía en una sola partícula pero, a pesar de esto, los científicos continúan esforzándose porque no tienen un mecanismo aceptable para explicarlo.

Otra cuestión no entendida es el origen de los rayos gamma más energéticos. Estos traen trillones de veces más energía que los fotones de la luz visible, haciendo que sea la forma más energética de luz conocida. Los físicos miden la energía en los fotones en electrón-voltios (eV) que es la cantidad de energía que un solo electrón gana cuando pasa a una diferencia potencial de un voltio. La energía de los fotones en luz visible es de entre 1.5 y 3.0 eV. Los rayos gamma cósmicos contienen cientos de trillones de electrón voltios. Como los rayos gamma de TeV de energía son relativamente raros, sólo uno de ellos cae en un kilómetro cuadrado de la atmósfera terrestre cada segundo en promedio. Virtualmente todos ellos colisionan con las moléculas del aire y producen una cascada de partículas energéticas en la atmósfera superior.

Los científicos han desarrollado diferentes mecanismos para explicar cómo los fotones pueden ganar esta energía. Se puede explicar cómo los rayos gamma TeV se pueden crear por el mecanismo de interacción de grandes campos magnéticos y eléctricos que se generan cuando las estrellas explotan y que se asocian también con agujeros negros supermasivos encontrados en muchas galaxias.

Uno de los mecanismos aceptados generalmente inicia cuando los electrones son acelerados a estas energías tan altas. Cuando un electrón choca con un fotón de microondas, puede transferir mucha de su energía por un proceso denominado dispersión de Compton. En el proceso, el fotón de microondas es transformado en un rayo gamma TeV. Una variación de esto involucra la interacción de electrones de movimiento rápido con un campo magnético muy fuerte. El campo magnético lanza al electrón a una curva. Si la curva es aguda, el electrón pierde energía, despidiendo rayos gamma de alta energía en un fenómeno denominado "bremsstahlung".

El segundo mecanismo involucra colisiones entre protones acelerados rápidamente y un fotón. En este caso, el protón primero absorbe el fotón. Esto hace que el protón sea inestable, y decaiga a una partícula subatómica de corta vida llamada Pión, cuando este decae forma un par de rayos gamma cósmicos.

El nuevo mecanismo propuesto trabaja usando una poderosa fuente de luz ultravioleta como son las estrellas jóvenes y calientes, y núcleos de Hierro y Silicio, los cuales suelen estar presentes en los vientos estelares en las regiones de formación de estrellas. Ambos núcleos tienen grandes cargas eléctricas positivas, por lo que pueden ser acelerados a velocidades extremadamente altas por campos electromagnéticos moderados. Los científicos calculan que cuando uno de estos núcleos colisiona con un fotón de luz ultravioleta proveniente de las estrellas, frecuentemente se desintegran en fragmentos nucleares y algunos rayos gamma de TeV.

El científico Weiler señala "cada uno de estos tres mecanismos tienen una firma característica en el espectro de los rayos gamma. Nuestro mecanismo ajusta a las observaciones de Cisne OB2 mucho mejor que los otros".

Los núcleos pesados requeridos en este proceso son producidos en supernovas y también en estrellas que explotaron en la región. El modelo supone que estos núcleos, que están esparcidos en el espacio, algunas veces son atrapados en las regiones productoras de estrellas. Si el modelo es correcto, estas regiones pueden ser una importante fuente de rayos cósmicos que caen en la Tierra.

Fuente original:
http://www.vanderbilt.edu/exploration/stories/cosmicrays.html
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