El universo es un escenario lleno de fenómenos extremos, donde las temperaturas y energías alcanzan niveles inimaginables. En este contexto, existen objetos como los remanentes de supernovas, los púlsares y los núcleos activos de galaxias que generan partículas cargadas y rayos gamma con energías que superan por mucho las involucradas en procesos nucleares como la fusión en las estrellas. Estas partículas, al ser testigos directos de procesos cósmicos extremos, ofrecen pistas clave sobre el funcionamiento del universo.

Los rayos gamma, por ejemplo, tienen la capacidad de atravesar el espacio sin verse alterados, proporcionando información directa sobre sus fuentes de origen. Sin embargo, las partículas cargadas, conocidas como rayos cósmicos, enfrentan un viaje más complicado. Al interactuar con los omnipresentes campos magnéticos del cosmos, estas partículas son desviadas y pierden parte de su energía, especialmente los electrones y positrones de alta energía, denominados electrones cósmicos (CRe). Con energías superiores a un teraelectrónvoltio (TeV), es decir, mil veces más que la luz visible, estas partículas se desvanecen progresivamente, complicando la identificación de su punto de origen.

Detectar partículas de alta energía como los CRe es una tarea titánica. Los instrumentos espaciales, con áreas de detección limitadas, no logran capturar suficientes partículas de estas energías extremas. Por su parte, los observatorios terrestres enfrentan un reto adicional: distinguir las cascadas de partículas originadas por electrones cósmicos de las mucho más frecuentes generadas por protones y núcleos de rayos cósmicos más pesados.

Rayos cósmicos
Impresión artística de un púlsar con su potente campo magnético girando a su alrededor. Las nubes de partículas cargadas que se desplazan a lo largo de las líneas de campo emiten rayos gamma que son enfocados por los campos magnéticos, más o menos como los haces de luz de un faro. En estos campos magnéticos se crean y aceleran pares de positrones y electrones, lo que convierte a los púlsares en fuentes potenciales de electrones y positrones cósmicos de alta energía. Crédito: NASA / Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

Aquí es donde entra en juego el observatorio H.E.S.S., ubicado en Namibia. Este complejo científico emplea un conjunto de cinco telescopios diseñados para detectar la débil luz Cherenkov producida cuando partículas cargadas de alta energía penetran en la atmósfera terrestre, creando cascadas de partículas. Aunque su propósito principal es el estudio de los rayos gamma y sus fuentes, el H.E.S.S. también permite analizar los CRe gracias a sus avanzados sistemas de detección.

Recientemente, los científicos de la colaboración H.E.S.S. han llevado a cabo un análisis sin precedentes de los datos recopilados durante más de una década. Utilizando algoritmos innovadores para filtrar las señales de fondo y extraer los CRe, lograron obtener un conjunto de datos de alta calidad, lo que les permitió estudiar estas partículas en los regímenes de energía más elevados observados hasta la fecha, alcanzando hasta 40 TeV.

Uno de los descubrimientos más sorprendentes fue un cambio abrupto en la distribución de energía de los CRe. Este hallazgo sugiere que estas partículas provienen de un reducido número de fuentes localizadas cerca de nuestro sistema solar. Entre las posibles fuentes destacan los púlsares, objetos con campos magnéticos extremadamente potentes que, al girar, aceleran partículas cargadas y generan rayos gamma en haces concentrados. En estos procesos, se crean pares de electrones y positrones que son acelerados a energías colosales, convirtiendo a los púlsares en laboratorios naturales de física de partículas.

Estos avances abren nuevas líneas de investigación sobre la naturaleza de las partículas de alta energía y los entornos donde se generan. La posibilidad de rastrear estas partículas hasta sus fuentes permite a los astrofísicos explorar fenómenos como la evolución de los campos magnéticos galácticos y el papel de las supernovas y los púlsares como aceleradores cósmicos naturales.

El universo sigue siendo un enigma, pero con herramientas como el H.E.S.S., estamos cada vez más cerca de desentrañar sus secretos más ocultos. Desde el vasto desierto de Namibia, los rayos gamma y las partículas cargadas continúan revelando las historias de un cosmos dinámico y lleno de sorpresas.

FUENTES

CNRS

F. Aharonian, F. Ait Benkhali, et al., High-Statistics Measurement of the Cosmic-Ray Electron Spectrum with H.E.S.S. Phys. Rev. Lett. 133, 221001 – Published 25 November, 2024. DOI: doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.221001

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