Amaterasu, el segundo rayo cósmico más potente de la historia

Desde entonces, el experimento Telescope Array, una colaboración internacional en la que participan Estados Unidos, Rusia, Corea del Sur y Bélgica, ha observado más de 30 rayos cósmicos de energía ultra alta, aunque ninguno de ellos se ha acercado siquiera al nivel de 'Oh-Dios-mío'. Un récord que, sin embargo, estuvo a punto de ser pulverizado el pasado 27 de mayo de 2021.

Ese día, en efecto, el mismo telescopio detectó el que ahora se sabe que es el segundo rayo cósmico de energía extrema más alto detectado hasta la fecha. Dirigido por la Universidad de Utah y la Universidad de Tokio, el Telescope Array consta de 507 estaciones detectoras dispuestas en una cuadrícula que cubre 700 km2 en el desierto occidental del estado de Utah. Y el evento de mayo de 2021, que alcanzó una energía de 2,4 x 10 elevado a 20 eV (un electronvoltio representa la energía que adquiere un electrón al pasar de un punto a otro entre los que hay una diferencia de potencial de 1 voltio), activó 23 de esos detectores en la zona noroeste del telescopio, que abarcan un área de 48 km2.

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Aunque no fue posible determinar su procedencia, la partícula parecía venir desde el Vacío Local, una región de espacio yermo y casi sin galaxias que bordea la Vía Láctea. La energía cinética de esa única partícula subatómica era equivalente a la que transporta una bola de béisbol lanzada a toda velocidad. Es decir, varios millones de veces superior a la que los humanos somos capaces de producir en nuestros más poderosos aceleradores de partículas.

«Esas partículas tienen tanta energía -afirma John Matthews, coportavoz del Telescope Array y coautor de un artículo recién publicado en 'Science'- que no deberían verse afectadas por los campos magnéticos galácticos y extragalácticos, por lo que deberíamos poder señalar de dónde vienen en el cielo. Pero en los casos de Oh-Dios-mío y de esta nueva partícula, al rastrear su trayectoria hasta su fuente no vemos que haya nada con suficiente energía como para haberla producido. Ese es el misterio: ¿qué diablos está pasando?«

En su estudio en 'Science', los investigadores describen con detalle el rayo cósmico de 2021, evalúan sus características y concluyen que estos raros fenómenos podrían obedecer a una física aún desconocida para la ciencia. En este caso, la partícula ha recibido el nombre de 'Amaterasu' en honor a la diosa del sol de la mitología japonesa. Las partículas Oh-My-God y Amaterasu se detectaron utilizando diferentes técnicas de observación, lo que confirma que, si bien son raros, estos eventos de energía ultra alta son absolutamente reales.

«Estas partículas parecen venir de lugares completamente diferentes en el cielo -dice por su parte John Belz, coautor del estudio-. Es decir, no es que haya una única fuente misteriosa. Podrían ser defectos en la estructura del espacio-tiempo, cuerdas cósmicas en colisión... Quiero decir, simplemente estoy lanzando ideas locas que a la gente se le ocurren porque no hay una explicación convencional».

Los rayos cósmicos son ecos de violentos acontecimientos cósmicos que han despojado a la materia de sus estructuras subatómicas y la han lanzado a través del Universo casi a la velocidad de la luz. Esencialmente, los rayos cósmicos son partículas cargadas con una amplia gama de energías que consisten en protones positivos, electrones negativos o incluso núcleos atómicos completos que viajan a través del espacio y caen sobre la Tierra casi constantemente.

Cuando llegan hasta aquí, los rayos cósmicos golpean la atmósfera superior de nuestro planeta y destruyen los núcleos de oxígeno y nitrógeno, generando toda una cascada de muchas partículas secundarias. Partículas que viajan una corta distancia en la atmósfera y repiten el proceso, chocando a su vez con otras en una reacción en cadena que al final genera una lluvia de miles de millones de partículas secundarias que se dispersan hacia la superficie en una zona muy amplia.

La huella de esta lluvia secundaria es, pues, enorme, y requiere que los detectores abarquen un área tan grande como la del Telescope Array. Los detectores de superficie utilizan un conjunto de instrumentación que brinda a los investigadores información sobre cada rayo cósmico; el momento de la señal muestra su trayectoria y la cantidad de partículas cargadas que golpean cada detector revela la energía de la partícula primaria.

Debido a que las partículas tienen carga, su trayectoria de vuelo se asemeja normalmente a la de una bola en una máquina de pinball, zigzagueando entre los campos electromagnéticos que se van encontrando a lo largo de su viaje a través del fondo cósmico de microondas, que es la radiación omnipresente en el Universo que aún queda del mismísimo Big Bang. Por eso es casi imposible rastrear la trayectoria de la mayoría de los rayos cósmicos. Pero eso no sirve para partículas con las energías de Oh-My-God y Amaterasu, tan potentes que atraviesan el espacio intergaláctico prácticamente en línea recta sin que nada consiga perturbarlas.

«Ni siquiera las cosas que consideramos muy energéticas, como las supernovas, son suficientes para generar esto -dice Matthews-. Y se necesitan enormes cantidades de energía, y campos magnéticos realmente altos, para confinar la partícula mientras se acelera».

Para ser considerados de energía ultra alta, los rayos cósmicos deben superar los 5 x 10 elevado a 19 eV. Lo cual significa que una sola partícula subatómica transporta la misma energía cinética que la bola rápida de un lanzador profesional de béisbol y que posee, por lo tanto, millones de veces más energía que la de cualquier acelerador de partículas fabricado por el hombre.

Los astrofísicos definen este límite teórico, conocido como límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK), como la energía máxima que un protón puede contener al viajar largas distancias antes de que el efecto de las interacciones de la radiación de fondo de microondas le quiten su energía. Los candidatos conocidos capaces de producir esas partículas, como núcleos galácticos activos o agujeros negros con discos de acreción que emiten chorros de materia al espacio, tienden a estar a más de 160 millones de años luz de la Tierra.

Pero resulta que los 2,4 x 10 elevado a 20 eV de la nueva partícula Amaterasu y los 3,2 x 10 elevado a 20 eV de la partícula Oh-Dios-mío superan ampliamente ese límite. ¿Qué fue entonces lo que las produjo? Un verdadero misterio que los científicos siguen intentando resolver.