Origen dels raigs còsmics: les supernoves serien PeVatrons

Clic per engrandir. La visió de Fermi del cel gamma millora constantment. Aquesta imatge de tot el cel inclou 3 anys d'observacions del Telescopi de Gran Àrea de Fermi (LAT). Mostra com apareix al cel a energies superiors a 1.000 milions d'electrons volts (1GeV). Els colors més clars indiquen fonts de raigs gamma més brillants. Una resplendor difusa omple el cel i és més brillant al llarg del pla de la nostra galàxia (centre). Fonts discretes de raigs gamma inclouen púlsars i restes de supernoves de la nostra galàxia, així com galàxies llunyanes alimentades per forats negres supermassius. Crèdit: Col·laboració NASA/DOE/Fermi LAT

L'astronomia de multimissatgers permet estudiar els fenòmens astrofísics, en particular combinant l'observació de fotons a diferents longituds d'ona amb l'espectre de partícules carregades a alta energia que arriben als límits de l'atmosfera terrestre. Algunes d'aquestes partícules carregades són protons i cada cop hi ha proves creixents que aquests raigs còsmics són accelerats per explosions de supernoves.

Un púlsar "vídua negra" devora la seva parella. Quan es tracta d'aranyes, les aranyes vídues negres són les que devoren els seus companys després de l'aparellament. I els astrònoms han observat un comportament similar al cel. Quan un púlsar i una estrella de poca massa formen un sistema binari. Davant la radiació emesa pel púlsar, l'estrella té poques possibilitats de sobreviure durant molt de temps. Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: NASA Goddard 

Fa un segle que la noosfera va descobrir l'existència dels raigs còsmics. Això ha permès avançar en el nostre coneixement de les partícules elementals i, de passada, demostrar l'existència d'antimatèria abans que les partícules exòtiques, i l'existència fugaç demostrada en els raigs còsmics, fossin fabricades per col·lisions de partícules a energies cada cop més altes.

L'estudi dels raigs còsmics continua, ja perquè algunes de les partícules presents s'han accelerat fins a energies impossibles d'assolir fins i tot amb el LHC avui dia, però també perquè proporcionen informació sobre fenòmens astrofísics. L'estudi dels neutrins còsmics, per exemple, ens pot ajudar a entendre els nuclis actius de les galàxies, subministrades amb energia fent girar forats negres supermassius que acretin matèria.

Però hi ha una trampa, els raigs còsmics són majoritàriament partícules carregades, el que significa que en els camps magnètics turbulents dins de les galàxies són desviats per aquests camps i es mouen a través d'ells realitzant un moviment brownià i, per tant, estocàstic. És evident que la direcció d'on sembla provenir un protó molt energètic a la volta celeste, creant una pluja de partícules secundàries en xocar amb un nucli de l'atmosfera superior, pot no tenir res a veure amb el seu lloc d'origen a la mateixa volta del cel.

Afortunadament, els astrofísics són intel·ligents i tenen una eina i una estratègia per rastrejar l'origen d'alguns d'aquests protons d'alta energia a la Via Làctia. Acaben de publicar un article sobre aquest tema, una versió d'accés obert del qual es pot trobar a arXiv.  

Els PeVatrons¹ a l'origen de certs raigs còsmics serien de fet supernoves. Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Centre de vol espacial Goddard de la NASA.

 

Protons més de 100 vegades més energètics que al LHC 

 

Aquesta eina és el telescopi gamma de la NASA a l'espai, anomenat Fermi, en honor al famós físic italià que va proposar el primer dels mecanismes per accelerar els raigs còsmics, mecanismes que es troben associats a les ones de xoc de les explosions de supernoves en el medi interestel·lar.

Fa uns anys, les observacions de Fermi de restes de supernoves ja havien confirmat l'existència dels mecanismes avançats per als protons còsmics, que en altres llocs són el component principal dels raigs còsmics, tot i que es poden trobar positrons i nuclis.

Per tant, avui els astrofísics expliquen que de manera similar van utilitzar uns 12 anys de mesures de flux gamma per Fermi d'un romanent de supernova i que aquestes mesures van confirmar que almenys aquesta resta era efectivament un accelerador de protons que els donaven energies almenys iguals al PeV, és a dir, almenys 100 vegades l'energia d'un protó accelerat al LHC.

Aquest romanent de supernova, anomenat G106.3+2.7, és per tant un autèntic PeVatron i es troba a la constel·lació de Cefeu, una constel·lació circumpolar de l'hemisferi nord, a uns 2.600 anys llum del Sistema Solar. Conté en el seu cor un púlsar anomenat J2229+6114 que tenim moltes raons per pensar que com tots els altres púlsars, és una estrella de neutrons deixada per l'explosió d'una estrella a l'origen del romanent de supernova G106.3+2.7.

Els investigadors van establir l'espectre d'energia dels fotons gamma entre 100 GeV i 100 TeV estudiant les dades recollides per Fermi. Aquest espectre no és compatible amb el dels fotons gamma que serien produïts principalment per electrons d'alta energia que xoquen amb fotons de radiació fòssil donant-los part de la seva energia segons un efecte Compton invers (sabem que els púlsars són acceleradors d'electrons i positrons ). Si fossin electrons, entraria en conflicte amb la forma de l'espectre en el domini de ràdio i X associat a G106.3+2.7.

Com fa uns anys, arribem, doncs, a la conclusió que els fotons gamma observats per Fermi provenen de la desintegració de mesons π neutres, mesons π produïts per col·lisions que impliquen protons a energies que poden assolir i superar el PeV.

Clic per engrandir. Aquesta imatge composta, feta amb fotografies fetes per diversos telescopis, mostra el romanent de supernova IC 443, situat a 5.000 anys llum del Sol a la constel·lació dels Bessons. De vegades s'anomena nebulosa Medusa. Les emissions de raigs gamma observades per Fermi es mostren aquí en magenta i les del visible en groc. Els altres colors corresponen a emissions en infraroigs. Crèdit: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration, NOAO/AURA/NSF, JPL-Caltech/UC.

 

¹ Un PeVatron és un accelerador (natural) que dóna a les partícules subatòmiques (essencialment protons, electrons i fotons) una energia superior a 100 TeV (10¹⁴ eV), per tant de l'ordre d'un petaelectronvolt (1 PeV = 10¹⁵ eV) o més. Un protó PeVatron es va localitzar l'any 2016 al centre galàctic1. El 2021, es van detectar 530 fotons amb una energia superior a 100 TeV (fins a 1,4 PeV), procedents de 12 fonts diferents (incloent-hi només una ben identificada, la nebulosa del Cranc).

El PeVatrón: Es creu que els raigs còsmics amb energies de Petaelectronvolts (PeV) s'originen en fonts de la nostra galàxia anomenades PeVatrons. Hi ha arguments sòlids que suggereixen que els Romanents de Supernova (SNR) són capaços d'accelerar els raigs còsmics a aquestes energies, donant lloc a raigs gamma a centenars de TeV (cents de milers de milions més energètics que la llum visible). Tot i això, els SNR no estan encara fermament confirmats com PeVatrons i els astrònoms segueixen buscant activament aquests acceleradors extrems. Més informació aquí.

Ho he vist aquí.