Científicos captan el rayo de luz más energético jamás visto (y viene del espacio)

Los fotones detectados en este caso fueron lanzados al espacio en un acelerador de partículas natural, situado en el corazón de la Nebulosa del Cangrejo . Allí se encuentra un púlsar, una estrella de neutrones de 20 kilómetros de diámetro que gira sobre sí misma 30 veces por segundo. Su intensísimo campo magnético impulsó los fotones que «navegaban» tranquilamente por el espacio, y que llegaron tiempo después a la atmósfera de la Tierra. Tanto la nebulosa como el púlsar son lo que hoy queda después de una explosión de supernova ocurrida hace 1.000 años y captada por astrónomos chinos.

«Sabemos que el entorno del púlsar es extremo», ha dicho en Science Magazine Geraint Lewis, astrofísico en la Universidad de Sidney, Australia, no implicado en el estudio. Pero la pregunta que surge tras la detección, es «cuán extremo es». En efecto, los hallazgos permitirán analizar las ideas acerca de cómo los fotones son «impulsados» hasta energías tan extraordinarias en entornos tan extremos.

La observación de los fotones de altísima energía tuvo lugar en el experimento Tibet ASgamma que cuenta con un arsenal de 600 detectores de centelleos. Estos transforman el impacto de partículas en señales electrónicas, y están distribuidos por una extensión de 66.000 kilómetros cuadrados en el altiplano tibetano, a 4.300 metros sobre el nivel del mar.

Cuando un rayo gamma, formado por fotones que oscilan con gran energía, choca contra la atmósfera, colisiona con electrones y otras partículas de los átomos que allí se encuentran. Estos choques generan una reacción en cadena de colisiones de partículas que, finalmente, llegan hasta los detectores. La información obtenida en el campo de sensores le permite a los astrónomos reconstruir tanto la energía como la trayectoria del rayo gamma original. Esto es fantástico, porque estas ondas apuntan hacia su fuente.

«El experimento ha observado fotones de rayos gamma de altísima energía», ha explicado a ABC Ramón García López , investigador principal del CTA ( Cherenkov Telescope Array ), en el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). «Estos resultan muy difíciles de observar porque son escasos –el investigador explica que, cuanto más energéticos son los fotones, menor número se produce– y porque resulta complicado detectarlos en tierra desde un punto de vista técnico».

Uno de los problemas que hay que abordar es saber si las partículas que impactan contra los detectores provienen del choque de los rayos gamma o de la llegada de rayos cósmicos. Estos están constituidos por protones y núcles de helio que fueron acelerados en el entorno de remanentes de supernovas y que también llegan a la atmósfera. Esto se hace, entre otras cosas, por medio de la detección de muones en cámaras subterráneas llenas de agua.

El detector Tibet ASGamma cuenta con varios detectores subterráneos distribuidos por 64 puntos en las cercanías de Yangbajing, una ciudad del altiplano tibetano. Esto convierte a estas instalaciones, según ha dicho en Science Magazine Masato Takita, investigador del proyecto y científico de la Universidad de Tokio, en «las más sensibles del mundo en el rango de los rayos gamma en la región de los 100-TeV».

¿Qué quiere decir esto? Básicamente, que, gracias a que ahora se puden examinar fotones extraordinariamente energéticos, se pueden encontrar cosas nunca vistas hasta ahora. «Los rayos gamma más energéticos están relacionados con los fenómenos más violentos del Universo », ha dicho García López. «Se trata de la última ventana de observación que se ha abierto en el espectro electromagnético y que complementa la información física que obtenemos en el resto del espectro: radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma de baja energía».

Entre febrero de 2014 y mayo de 2017, el detector Tibet ASGamma se convirtió en una ventana capaz de captar 24 rayos gamma con energías que estuvieron entre los 100 y los 450 TeV. El trabajo de 90 científicos de una docena de instituciones se tradujo en un artículo que acaba de ser aceptado en Physical Review Letters .

Esta detección de récord ha permitido obtener una v aliosa confirmación de las teorías que explican el origen de esos rayos gamma de altísima energía. Se considera que estos se crean a causa de un proceso conocido como dispersión inversa de Compton , en el que el campo magnético de un púlsar «estimula» a electrones hasta energías mucho más altas que las que se alcanzan en los aceleradores de partícualas terrestres. Los electrones del campo se estrellan contra los fotones que se encuentran en la zona, y que proceden de la radiación de fondo de microondas, un eco «fósil» de radiación procedente del Big Bang .

El choque envía a estos fotones por toda la galaxia, oscilando con más energía que antes: «Reciben una enorme cantidad de energía de ese golpe», ha explicado Geraint Lewis. De hecho, en opinión de Huang Jing, astrofísico de la Academia de Ciencias de China, esto muestra cómo «la Nebulosa del Cangrejo es el acelerador de electrones más potente de nuestra galaxia ».

En el Tibet ASgamma se espera poder captar rayos gamma de mayores energías, próximas a los 1.000 TeV. A partir del año que viene otro obsrevatorio del altiplano tibetano, el Large High Altitude Air Shower Observator, trabajará a máxima potencia. Y, a partir de 2025, se completará la construcción del CTA, que contará con instrumentos repartidos por La Palma y Chile.

« CTA será capaz de observar fenómenos de este tipo , así como muchos otros dentro del todo el rango de rayos gamma de muy altas energías», ha explicado Ramón García López. «La diferencia con el experimento que ha hecho este descubrimiento es que CTA está formado por telescopios que pueden apuntar a un punto del cielo y no sólo hacer un mapeo del mismo siguiendo la rotación de la Tierra», ha añadido.

En todo caso, todos estos observatorios tendrán un papel complementario. Son fruto de un esfuerzo internacional, que trasciende fronteras, y que permitirán observar de una nueva forma los fenómenos astrofísicos más energéticos . Esto no es solo clave para entender nuestra galaxia y las vecinas, sino el comportamiento de la materia y la energía en ese laboratorio tan extremo que es la propia naturaleza.