Resuelven misterio de 30 años sobre origen de rayos cósmicos más potentes

Astrónomos han resuelto uno de los misterios más persistentes de la astrofísica moderna al identificar la fuente de los rayos cósmicos más energéticos producidos en nuestra galaxia. Utilizando el observatorio espacial XMM-Newton, científicos descubrieron una nebulosa de viento de púlsar que funciona como un "PeVatrón" natural, acelerando partículas a energías que superan 1 PeV (petaelectronvoltio), equivalente a un millón de veces la energía alcanzada en los aceleradores más potentes construidos por humanos.

El descubrimiento se realizó durante el seguimiento del objeto celeste 1LHAASO J0343+5254u, detectado inicialmente por el Gran Observatorio de Lluvias de Aire a Gran Altitud en China. Las observaciones con rayos X revelaron una fuente extendida con características espectrales únicas que coincide espacialmente con emisiones de rayos gamma de energía ultraalta, proporcionando la evidencia más directa hasta la fecha de dónde se originan estas partículas extremadamente energéticas.

La nebulosa identificada presenta un espectro de rayos X que sigue una ley de potencia con índice espectral de 1.9, volviéndose progresivamente más suave a mayor distancia del centro emisor. Su extensión espacial asimétrica se extiende varios minutos de arco, características típicas de sistemas donde un púlsar ultrarrápido inyecta continuamente partículas energéticas en el medio interestelar circundante.

Los rayos cósmicos son partículas subatómicas que viajan por el espacio a velocidades cercanas a la luz, bombardeando constantemente la Tierra desde todas las direcciones. Aunque fueron descubiertos hace más de un siglo, el origen de los más energéticos había permanecido como uno de los grandes enigmas de la astronomía moderna, especialmente aquellos con energías superiores al "punto de inflexión" de 3 PeV que marca una transición crítica en el espectro de rayos cósmicos galácticos.

El modelado científico desarrollado para explicar las observaciones utiliza un enfoque completamente leptónico, donde electrones ultraenergéticos producen radiación sincrotrón en campos magnéticos intensos de aproximadamente 5 microgauss. Estos mismos electrones posteriormente dispersan fotones infrarrojos ambientales mediante el proceso Compton inverso, generando los rayos gamma de muy alta energía observados por detectores terrestres como LHAASO.

Las observaciones requirieron aproximadamente 120 kilosegundos de tiempo de observación con XMM-Newton, revelando no solo la fuente principal sino también 11 fuentes puntuales secundarias en el campo de visión circundante. La fuente principal, catalogada como XMMU 034124.2+525720, se encuentra ubicada en una región del plano galáctico relativamente menos concurrida, facilitando su identificación y caracterización detallada.

La energía total contenida en las partículas aceleradas se estima en 2.1 × 10⁴⁴ ergios, una cantidad colosal que representa la energía liberada por el Sol durante aproximadamente 170,000 años. Esta energía se almacena en una población de electrones y positrones que siguen una distribución de ley de potencia con energías que se extienden desde 100 MeV hasta 10 PeV, abarcando más de ocho órdenes de magnitud.

El hallazgo tiene implicaciones profundas para la comprensión de procesos astrofísicos extremos y podría explicar el origen del flujo de neutrinos galácticos recientemente detectado por el observatorio IceCube en la Antártida. Si parte de la emisión gamma proviene de interacciones hadrónicas, este sistema también podría estar produciendo neutrinos de alta energía, partículas fantasmales que solo se generan en los procesos más violentos del universo.

Los científicos planean observaciones de seguimiento utilizando el telescopio Chandra para obtener imágenes de mayor resolución que podrían revelar la estructura interna detallada de la nebulosa, incluyendo la posible detección directa del púlsar central. Además, búsquedas de radio especializadas podrían identificar las pulsaciones características que confirmarían definitivamente la naturaleza de este extraordinario acelerador cósmico natural.

Fuente: The Astrophysical Journal