Por décadas, Los investigadores asumieron que los rayos cósmicos que bombardean regularmente la Tierra desde los confines de la galaxia nacen cuando las estrellas se convierten en supernovas, cuando crecen demasiado para soportar la fusión que ocurre en sus núcleos y explotan.

De hecho, esas gigantescas explosiones impulsan partículas atómicas a la velocidad de la luz a grandes distancias. Sin embargo, Una nueva investigación sugiere que incluso las supernovas, capaces de devorar sistemas solares enteros, no son lo suficientemente fuertes como para imbuir partículas con las energías sostenidas necesarias para alcanzar petaelectronvoltios (PeV), la cantidad de energía cinética alcanzada por rayos cósmicos de muy alta energía.

Y, sin embargo, se han observado rayos cósmicos que golpean la atmósfera de la Tierra exactamente a esas velocidades, su paso marcado, por ejemplo, por los tanques de detección en el observatorio High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) cerca de Puebla, México. En lugar de supernovas, los investigadores postulan que los cúmulos de estrellas como Cygnus Cocoon sirven como PeVatrons (aceleradores de PeV) capaces de mover partículas a través de la galaxia a tasas de energía tan altas.

Su investigación de cambio de paradigma proporciona evidencia convincente de que las regiones de formación estelar son PeVatrons y se publica en dos artículos recientes en Astronomía de la naturaleza y Cartas de revistas astrofísicas .

Una característica de la investigación en física es lo colaborativa que es. La investigación fue realizada por Petra Huentemeyer, profesor de física en la Universidad Tecnológica de Michigan, junto con la recién graduada Binita Hona '20, estudiante de doctorado Dezhi Huang, ex postdoctorado de MTU Henrike Fleischhack (ahora en la Universidad Católica / NASA GSFC / CRESST II), Sabrina Casanova del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia en Cracovia, Ke Fang en la Universidad de Wisconsin y Roger Blanford en Stanford, junto con otros numerosos colaboradores del Observatorio HAWC.

Huentemeyer señaló que HAWC y físicos de otras instituciones han medido los rayos cósmicos desde todas las direcciones y a lo largo de muchas décadas de energía. Está en el seguimiento de los rayos cósmicos con la energía más alta conocida, PeVs, que su origen se vuelve tan importante.

"Se cree que los rayos cósmicos por debajo de la energía PeV provienen de nuestra galaxia, pero la pregunta es cuáles son los aceleradores que pueden producirlos, "Dijo Huentemeyer.

Fleischhack dijo que el cambio de paradigma que los investigadores han descubierto es que antes, Los científicos pensaban que los restos de supernovas eran los principales aceleradores de los rayos cósmicos.

"Acelera los rayos cósmicos, pero no pueden llegar a las energías más elevadas, " ella dijo.

Entonces, ¿Qué está impulsando la aceleración de los rayos cósmicos a la energía PeV?

"Ha habido varios otros indicios de que los cúmulos de estrellas podrían ser parte de la historia, ", Dijo Fleischhack." Ahora estamos recibiendo la confirmación de que son capaces de alcanzar las energías más elevadas ".

Los cúmulos de estrellas se forman a partir de los restos de un evento de supernova. Conocidos como cunas de estrellas, contienen vientos violentos y nubes de escombros arremolinados, como los observados por los investigadores en Cygnus OB2 y el cúmulo [BDS2003] 8. Dentro, varios tipos de estrellas masivas conocidas como estrellas espectrales de tipo O y tipo B se reúnen por centenares en un área de unos 30 parsecs (108 años luz) de ancho.

"Las estrellas de tipo espectral O son las más masivas, "Hona dijo." Cuando sus vientos interactúan entre sí, se forman ondas de choque, que es donde ocurre la aceleración ".

Los modelos teóricos de los investigadores sugieren que los fotones de rayos gamma energéticos vistos por HAWC son más probablemente producidos por protones que por electrones.

"Usaremos telescopios de la NASA para buscar la emisión equivalente de estas partículas relativistas a energías más bajas, "Dijo Fang.

Es notable la energía extremadamente alta a la que los rayos cósmicos llegan a nuestro planeta. Se requieren condiciones específicas para acelerar las partículas a tales velocidades.

Cuanto mayor sea la energía, cuanto más difícil es confinar las partículas, conocimiento obtenido de los aceleradores de partículas aquí en la Tierra en Chicago y Suiza. Para evitar que las partículas se alejen, se requiere magnetismo.

Los cúmulos estelares, con su mezcla de viento y estrellas nacientes pero poderosas, son regiones turbulentas con diferentes campos magnéticos que pueden proporcionar el confinamiento necesario para que las partículas continúen acelerándose.

"Los remanentes de supernova tienen choques muy rápidos en los que el rayo cósmico puede acelerarse; sin embargo, no tienen el tipo de regiones de confinamiento largas, "Dijo Casanova." Para esto son útiles los cúmulos de estrellas. Son una asociación de estrellas que pueden crear perturbaciones que confinan los rayos cósmicos y hacen posible que los choques los aceleren ".

Pero, ¿cómo es posible medir las interacciones atómicas en una escala galáctica 5, 000 años luz de la Tierra? Los investigadores utilizaron 1, 343 días de mediciones de tanques de detección HAWC.

Huang explicó cómo los físicos de HAWC trazan los rayos cósmicos midiendo los rayos gamma que estos rayos cósmicos producen en los sitios de aceleración galáctica:"No medimos los rayos gamma directamente; medimos los rayos secundarios generados. Cuando los rayos gamma interactúan con la atmósfera, generan partículas secundarias en lluvias de partículas ".

"Cuando se detectan lluvias de partículas en HAWC, podemos medir la lluvia y la carga de partículas secundarias, ", Dijo Huang." Usamos la carga de partículas y la información de tiempo para reconstruir información de la gamma primaria ".

Además de HAWC, los investigadores planean trabajar con el Observatorio de Rayos Gamma de Campo Amplio Sur (SWGO), un observatorio actualmente en etapa de planificación que contará con detectores de luz Cherenkov como HAWC pero que estará ubicado en el hemisferio sur.

"Sería interesante ver lo que podemos ver en el hemisferio sur, "Dijo Huentemeyer." Tendremos una buena vista del centro galáctico que no tenemos en el hemisferio norte. SWGO podría darnos muchos más candidatos en términos de cúmulos estelares ".

Las colaboraciones futuras en los hemisferios prometen ayudar a los científicos de todo el mundo a continuar explorando los orígenes de los rayos cósmicos y aprender más sobre la propia galaxia.