9 de Julio de 2021
Astronomía

Los fotones más energéticos de la nebulosa del Cangrejo

Los astrónomos detectan dos fotones de unos mil billones de electronvoltios, una energía que ronda el límite de lo que pueden explicar las teorías clásicas y que solo se ha observado en otro puñado de fuentes astronómicas.

Imagen compuesta de la nebulosa del Cangrejo (un remanente de supernova) que combina las observaciones de cinco telescopios distintos en diversas longitudes de onda. La colaboración LHAASO ha notificado recientemente la detección de dos fotones con energías del orden de los PeV (mil millones de electronvoltios) procedentes de este objeto astronómico. Apenas se conocen un puñado de fuentes que emitan fotones de tal energía. [NASA, ESA, NRAO/AUI/NSF y G. Dubner (Universidad de Buenos Aires)]   

El 4 de julio de 1054, un poco antes de la salida del sol, los astrónomos chinos de la dinastía Song divisaron una estrella desconocida que iluminaba el cielo oriental. «Es tan brillante como Venus, con rayos que apuntan en las cuatro direcciones y de un color blanco rojizo», escribieron en las notas que entregaron al emperador. El resplandor, que fue visible a simple vista (incluso de día) durante casi un mes, se debía a la espectacular muerte explosiva de una estrella situada a 6500 años luz, en la constelación de Tauro. Sus restos se conocen hoy como la nebulosa del Cangrejo, uno de los objetos más bellos y estudiados del cielo.

Los científicos saben desde hace tiempo que la nebulosa del Cangrejo es un objeto astrofísico muy energético que emite todo tipo de radiación electromagnética, desde las ondas de radio hasta los rayos gamma. Pero hace poco han descubierto que es aún más energética de lo que pensaban. Usando un avanzado conjunto de detectores situado en el borde oriental de la meseta tibetana, un equipo ha detectado fotones con energías del orden de más de mil billones de electronvoltios (1 PeV) procedentes del famoso remanente de supernova. Se trata de energías que podrían plantear problemas a las teorías clásicas de la física. El descubrimiento se acaba de publicar en Science.

Acelerador cósmico

Situado a 4410 metros sobre el nivel del mar, en el hermoso monte Haizi, el Gran Observatorio de Cascadas Atmosféricas a Gran Altitud (LHAASO) ha detectado desde 2019 decenas de miles de fotones muy energéticos procedentes de la nebulosa del Cangrejo. El observatorio también permitió, por vez primera, medir con precisión el espectro energético de la nebulosa (los fotones que emite para cada energía) en su extremo superior, entre 0,3 y 1,1 PeV. «Los resultados de LHAASO son importantes porque midieron el espectro de la nebulosa del Cangrejo en un régimen de energías que no había explorado ningún instrumento anterior», afirma Rene Ong, astrofísico de la Universidad de California en Los Ángeles que no participó en la investigación.

Hay dos fotones especialmente interesantes para los investigadores experimentales y teóricos, dado que son los más energéticos que se hayan registrado jamás desde la nebulosa del Cangrejo: uno de 0,88 PeV, que el equipo ya había notificado en un artículo de Nature, y otro de 1,1 PeV, que han detallado en el último estudio. Las partículas de luz llegaron a la Tierra con una energía 10 veces superior a la de una pelota de ping-pong que rebota en una raqueta.

«Se trata de eventos extremos y casi inimaginables desde cualquier punto de vista», afirma Felix Aharonian, investigador del Instituto de Estudios Avanzados de Dublín y del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg, y coautor del nuevo trabajo.

¿Cómo puede acelerar estas partículas la nebulosa del Cangrejo? Nacida en la explosión de supernova observada hace casi 1000 años, la nebulosa alberga en su seno un púlsar, una estrella de neutrones extremadamente densa que gira 30 veces por segundo. La rotación genera un «viento» formado por pares de electrones y positrones (los homólogos de antimateria de los electrones). Y esas partículas interactúan con la nebulosa circundante para crear ondas de choque y un acelerador de partículas natural, según Cao Zhen, investigador principal de LHAASO que trabaja en el Instituto de Física de Altas Energías de la Academia China de Ciencias.

Cuando las partículas aceleradas obtienen por fin la energía necesaria para escapar, algunas chocan con los fotones de baja temperatura del fondo cósmico de microondas y les transfieren una parte importante de su energía. Las partículas de luz salen disparadas, y algunas se dirigen directas a la Tierra, trayendo consigo información importante sobre la propia nebulosa del Cangrejo.

Los científicos llevan décadas observando fotones ultraenergéticos procedentes de la nebulosa del Cangrejo, aunque ninguna había alcanzado tamañas energías. A principios de la década de 2000, el observatorio HEGRA, situado en las islas Canarias, detectó fotones con 75 billones de electronvoltios (TeV). Más recientemente, un experimento chino-japonés llamado Tibet AS-gamma captó fotones con energías de hasta 450 TeV.

Los científicos calculan que para enviar a la Tierra un fotón de 1,1 PeV, como el que ha medido LHAASO, el electrón original procedente de la nebulosa del Cangrejo debía tener unos 2,3 PeV. Esta energía es unas 20.000 veces superior a la que puede alcanzar un acelerador de electrones en la Tierra. Y los físicos esperarían que los electrones de la nebulosa perdieran su energía muy deprisa, porque esas partículas emiten la llamada radiación de sincrotrón cuando describen trayectorias curvas. En algún momento, la energía que pierden superará a la que obtienen del acelerador. «Pero el púlsar es del tamaño de nuestro mayor colisionador», subraya Cao. «En la nebulosa del Cangrejo debe existir un mecanismo increíble que maximice la aceleración frente a las pérdidas energéticas.»

Un electrón de 2,3 PeV estaría «permitido por la electrodinámica clásica y la magnetohidrodinámica ideal, pero se halla muy muy cerca del límite teórico», destaca Aharonian. La eficiencia de la aceleración se acerca al 100 por cien. Teniendo en cuenta que la rotación del púlsar es la única fuente de energía y la complejidad del proceso de aceleración, «es verdaderamente sorprendente que este acelerador de la naturaleza alcance una eficiencia tan alta, como si fuera una máquina con un diseño ideal», apunta. «Excepto que en realidad nadie la ha diseñado.»

LHAASO

Cuando una partícula muy energética incide en la atmósfera terrestre, desencadena una lluvia de partículas secundarias, lo que se conoce como una «cascada atmosférica». Los detectores terrestres como LHAASO registran esas cascadas y pueden inferir el tipo, la energía y la trayectoria de las partículas primarias, que son demasiado esquivas para rastrearlas de otro modo.

LHAASO es uno de los instrumentos más grandes y sensibles de su tipo. Con una superficie total de 1,3 kilómetros cuadrados, consta de tres conjuntos de detectores. El más grande es una red de un kilómetro cuadrado, con unos 6000 contadores de partículas en la superficie y más de 1100 detectores de muones en el subsuelo para captar los rayos cósmicos y los rayos gamma.

El experimento también emplea 18 telescopios Cherenkov de amplio campo de visión para detectar la luz Cherenkov (una característica radiación azul) que se emite durante las cascadas atmosféricas. Por último, una red de detectores Cherenkov en agua utiliza enormes estanques y centelleadores sensibles a la luz para buscar rayos gamma de alta energía.

Cuando Cao propuso construir LHAASO en 2009, la gente le advirtió que quizá no encontrase nada. «Había una creencia popular, según la cual existía un "corte" en el espectro de energía de nuestra galaxia en torno a los 100 TeV, un valor que parecía un máximo teórico», rememora. «Pero yo nunca hice mucho caso de eso. Como físico experimental, mi misión es experimentar, y LHAASO apuntaría justo a ese régimen desconocido más allá de los 100 TeV.»

La construcción del observatorio comenzó en 2017. Entró en funcionamiento dos años después, cuando aún no estaba ni a medio acabar. Con los datos de los primeros meses, Cao y su equipo notificaron una docena de fuentes de rayos gamma del orden de 1 PeV en toda la galaxia, casi duplicando el número total de fuentes de esas características que se conocían hasta la fecha. «Nuestros resultados demuestran claramente que no existe ningún límite en los 100 TeV», afirma. «En cambio, el espectro de energía sigue extendiéndose hasta 1 PeV y más allá, como vemos en la nebulosa del Cangrejo.»

Obtener esos resultados no fue fácil, sobre todo porque China llegó tarde al campo de la astronomía de rayos gamma. Cao aún recuerda cuando era un estudiante de grado que aprendía a montar los primeros detectores de rayos gamma de China en un jardín de melocotoneros de las afueras de Pekín, en 1986. Por esa misma época, al otro lado del Pacífico, el difunto astrofísico y premio Nobel James Cronin ya se preparaba para detectar rayos gamma del orden de los PeV por medio de un proyecto llamado CASA-MIA (Red para Cascadas Atmosféricas de Chicago-Red para Muones de Míchigan) en el desierto de Utah.

CASA-MIA era a la sazón el mayor y más ambicioso experimento para estudiar rayos gamma con energías superiores a 100 TeV. Por desgracia, no detectó ninguno durante sus cinco años de observación. «CASA-MIA era muy sensible en su momento, pero no lo suficiente», lamenta Ong, que formó parte del equipo de ese experimento.

Nadie volvió a poner en práctica esa técnica hasta LHAASO. El nuevo observatorio es todo lo que era CASA-MIA, pero con un conjunto de superficie más grande y mejor, detectores de muones mucho más sensibles, una configuración hábilmente diseñada y una mayor altitud. «Y por eso ha funcionado», afirma Ong. «Personalmente, me resulta muy gratificante que alguien haya retomado aquello en lo que trabajamos tan duro durante 10 años y haya obtenido unos resultados tan buenos.»

Mirando al futuro

Por el momento, las estadísticas sobre la aceleración del orden de los PeV que se produce en el interior de la nebulosa del Cangrejo se limitan a dos fotones, admite Cao. Sin embargo, LHAASO está diseñado para detectar al menos uno o dos eventos de ese tipo al año, por lo que el equipo espera confirmar sus hallazgos en un par de años.

Para responder a las preguntas últimas sobre los aceleradores cósmicos y los rayos cósmicos, LHAASO tendrá que trabajar con otros detectores. El experimento, aunque lo bastante potente como para dominar su banda de energías en los próximos años, adolece de una resolución angular y una cobertura del cielo relativamente bajas y no es capaz de realizar detecciones instantáneas.

Por ello, se asociará con la futura Red de Telescopios Cherenkov (CTA), un esfuerzo global que usará más de 100 telescopios situados en los hemisferios norte y sur para detectar rayos gamma de alta energía procedentes de dentro y fuera de nuestra galaxia. A diferencia de LHAASO, la CTA utilizará telescopios Cherenkov de imágenes atmosféricas, por lo que ambos serán muy complementarios. «LHAASO y la CTA tendrán que funcionar juntos alrededor de una década para precisar el origen de los rayos cósmicos», estima Ong, que es coportavoz de la CTA.

El equipo de LHAASO también está dispuesto a colaborar con otros experimentos de todo el mundo, afirma Cao. De hecho, ya han firmado acuerdos con varios observatorios, como el telescopio de neutrinos subacuático del lago Baikal (Baikal-GVD) en Rusia o el observatorio de rayos gamma VERITAS de Arizona. VERITAS ya ha comenzado a realizar observaciones de seguimiento de algunas de las fuentes que notificó LHAASO en su artículo de Nature.

La construcción de LHAASO concluirá a finales de este mes. «El trabajo no ha hecho más que empezar, aunque ya es muy impresionante», destaca Aharonian. Según él, este experimento refleja el rápido ascenso de China, una ancestral potencia astronómica, en el ámbito de la astrofísica moderna. El país está en disposición de liderar la investigación astrofísica a nivel mundial gracias a sus jóvenes científicos bien formados, a su pujanza económica y a la voluntad de su Gobierno de invertir en ciencia básica, observa. «LHAASO es un proyecto que muestra cómo la China actual puede hacer ciencia de forma oportuna y muy rentable», concluye Aharonian.

Ling Xin

Referencia: «PeV gamma-ray emission from the Crab Nebula», colaboración LHAASO en Science, art. eabg5137, 8 de julio de 2021. 

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