La Nebulosa del Cangrejo acaba de estallar en la Tierra con los fotones de mayor energía jamás registrados

Nebulosa del Cangrejo NASA

La Meseta Tibetana es una vasta llanura elevada de casi cinco kilómetros sobre el nivel del mar, a veces llamada el Techo del Mundo. Limita al sur con la cadena montañosa más alta del mundo y al norte con tierras desérticas. Es uno de los lugares más aislados de la Tierra.

Pero la altitud extrema lo convierte en un lugar útil para los científicos. En 1990, construyeron aquí un observatorio para estudiar las lluvias de partículas subatómicas que llueven desde la atmósfera superior cada vez que es golpeada por un rayo cósmico de alta energía. Este trabajo se realiza mejor a gran altura porque hay menos atmósfera para absorber las partículas.

Desde entonces, el llamado Tibet Air Shower Array ha registrado una gran cantidad de rayos cósmicos de alta energía, partículas aceleradas a enormes energías por fenómenos astrofísicos como supernovas, núcleos galácticos activos y fuentes misteriosas aún no identificadas.

Pero la matriz también capta lluvias de aire causadas por una fuente diferente: fotones de alta energía. Estos misteriosos fotones también son creados por fenómenos astrofísicos como la interacción entre partículas de alta energía y el fondo cósmico de microondas. En consecuencia, pueden proporcionar una visión única de estos procesos y los entornos en los que ocurren.

A lo largo de los años, el Tibet Air Shower Array ha detectado muchos de estos fotones con energías de hasta docenas de teraelectronvoltios (TeV 1012). Eso es más o menos equivalente a los fotones de mayor energía que se pueden crear en la Tierra. Pero nadie ha observado jamás fotones más potentes.

Hasta ahora. Hoy, investigadores de Tibet Air Shower Gamma Collaboration dicen que han observado fotones con energías superiores a 100 TeV por primera vez, incluido un fotón notable con una energía de casi 500 TeV. Este único fotón tiene aproximadamente la misma energía que una pelota de ping-pong que cae y es el fotón de mayor energía jamás registrado.

La colaboración también ha descubierto de dónde provienen estos fotones: la Nebulosa del Cangrejo, los restos de una supernova que se observó por primera vez en 1054 d. C. en el brazo de Perseo de la Vía Láctea, a unos 6.500 años luz de la Tierra.

En el centro de esta nebulosa hay un púlsar, una estrella de neutrones que gira a una velocidad de 30 veces por segundo y emite pulsos electromagnéticos en una amplia gama de frecuencias. Aunque la Nebulosa del Cangrejo no es visible a simple vista, tiene aproximadamente el mismo brillo que la luna Titán de Saturno, es la fuente más brillante en el cielo nocturno de rayos X y rayos gamma con energías superiores a 30 KeV.

Eso lo hace de considerable interés para los astrónomos. Una pregunta que les fascina es cuán energéticos pueden llegar a ser estos fotones y qué les dice la distribución de las energías de los fotones sobre las condiciones dentro de la nebulosa.

Se cree que los fotones de esta energía se crean mediante un proceso conocido como dispersión Compton inversa. Esto ocurre cuando una partícula de alta energía transfiere su energía a un fotón. En el caso de la Nebulosa del Cangrejo, las partículas de alta energía son probablemente electrones y protones acelerados por ondas de choque en los poderosos campos magnéticos que rodean al púlsar. Esto les da energías en el rango de subpetaelectronvoltios (1015).

En comparación, el Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más poderoso del mundo, tiene una energía de colisión de 14 TeV.

Estas partículas luego transfieren su energía a los fotones sobrantes del Big Bang, llamado fondo cósmico de microondas, dándoles cientos de TeV. Estos son los fotones que detecta el Tibet Air Shower Array. Esta es la primera detección de fotones de energía más alta más allá de 100 TeV de una fuente astrofísica y, por lo tanto, abre la ventana sub-PeV en astronomía, dicen.

Esto revela exactamente qué tipo de condiciones deben existir dentro de la nebulosa. En particular, revela la magnitud de las ondas de choque que atraviesan el campo magnético. Y eso, a su vez, arroja algo de luz sobre los procesos que deben generar estas ondas de choque.

Varias teorías predicen un límite a la energía que los fotones pueden ganar de esta manera. Pero la colaboración del Tíbet no ha encontrado señales de ello hasta ahora. Puede ser que de esta manera se estén produciendo fotones con exaelectronvoltios (1018). En ese caso, un solo fotón tendría la energía de una bala de rifle de aire comprimido. En 1991, los físicos midieron un rayo cósmico con una energía de 300 EeV, la llamada partícula Oh-My-God, la partícula de mayor energía jamás registrada.

Pero primero, se necesitarán más pruebas de la colaboración del Tíbet y otros grupos para ayudar a afinar las teorías astrofísicas sobre lo que sucede exactamente dentro de estos entornos más extremos del universo.

Ref: https://arxiv.org/abs/1906.05521 : Primera detección de fotones con energía superior a 100 TeV de una fuente astrofísica

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