Nuevos hallazgos publicados esta semana en Cartas de revisión física sugieren que el carbono, oxígeno, y los rayos cósmicos de hidrógeno viajan a través de la galaxia hacia la Tierra de manera similar, pero, asombrosamente, que el hierro llega a la Tierra de manera diferente. Aprender más sobre cómo se mueven los rayos cósmicos a través de la galaxia ayuda a abordar un problema fundamental, Pregunta persistente en astrofísica:¿Cómo se genera y distribuye la materia en el universo?

"Entonces, ¿qué significa este hallazgo?" pregunta John Krizmanic, un científico senior del Centro de Ciencia y Tecnología Espaciales (CSST) de la UMBC. "Estos son indicadores de que está sucediendo algo interesante. Y qué es ese algo interesante que vamos a tener que ver".

Los rayos cósmicos son núcleos atómicos, átomos despojados de sus electrones, que se mueven constantemente por el espacio casi a la velocidad de la luz. Entran en la atmósfera de la Tierra a energías extremadamente altas. La información sobre estos rayos cósmicos puede dar a los científicos pistas sobre su procedencia en la galaxia y qué tipo de evento los generó.

Un instrumento de la Estación Espacial Internacional (ISS) llamado Telescopio Electrónico Calorimétrico (CALET) ha estado recopilando datos sobre los rayos cósmicos desde 2015. Los datos incluyen detalles como cuántos y qué tipos de átomos están llegando, y con cuánta energía están llegando. El americano, Italiano, y equipos japoneses que gestionan CALET, incluyendo Krizmanic de UMBC y Nick Cannady postdoctorado, colaboró ​​en la nueva investigación.

Hierro en movimiento

Los rayos cósmicos llegan a la Tierra desde otras partes de la galaxia con una amplia gama de energías, desde mil millones de voltios hasta 100 mil millones de mil millones de voltios. El instrumento CALET es uno de los pocos en el espacio que puede ofrecer detalles finos sobre los rayos cósmicos que detecta. Un gráfico llamado espectro de rayos cósmicos muestra cuántos rayos cósmicos llegan al detector en cada nivel de energía. Los espectros del carbono, oxígeno, y los rayos cósmicos de hidrógeno son muy similares, pero el hallazgo clave del nuevo artículo es que el espectro del hierro es significativamente diferente.

Hay varias posibilidades para explicar las diferencias entre el hierro y los tres elementos más ligeros. Los rayos cósmicos podrían acelerar y viajar a través de la galaxia de manera diferente, aunque los científicos generalmente creen que entienden esto último, Krizmanic dice.

"Algo que debe enfatizarse es que la forma en que los elementos llegan de las fuentes a nosotros es diferente, pero puede ser que las fuentes también sean diferentes, "añade Michael Cherry, profesor emérito de física en la Universidad Estatal de Louisiana (LSU) y coautor del nuevo artículo. Los científicos generalmente creen que los rayos cósmicos se originan en la explosión de estrellas (supernovas), pero las estrellas de neutrones o las estrellas muy masivas podrían ser otras fuentes potenciales.

Precisión de nivel superior

Un instrumento como CALET es importante para responder preguntas sobre cómo se aceleran y viajan los rayos cósmicos, y de donde vienen. Los instrumentos en el suelo o los globos que volaban a gran altura en la atmósfera terrestre fueron la principal fuente de datos de rayos cósmicos en el pasado. Pero cuando los rayos cósmicos llegan a esos instrumentos, ya han interactuado con la atmósfera de la Tierra y se han descompuesto en partículas secundarias. Con instrumentos terrestres, es casi imposible identificar con precisión cuántos rayos cósmicos primarios y qué elementos están llegando, más sus energías. Pero CALET, estar en la ISS por encima de la atmósfera, Puede medir las partículas directamente y distinguir elementos individuales con precisión.

El hierro es un elemento particularmente útil para analizar, explica Cannady, un postdoctorado con CSST y un ex Ph.D. estudiante con Cherry en LSU. En su camino a la tierra, los rayos cósmicos pueden descomponerse en partículas secundarias, y puede ser difícil distinguir entre partículas originales expulsadas de una fuente (como una supernova) y partículas secundarias. Eso complica las deducciones sobre el origen de las partículas.

"A medida que las cosas interactúan en su camino hacia nosotros, luego obtendrá básicamente conversiones de un elemento a otro, "Cannady dice." El hierro es único, ya que es una de las cosas más pesadas que se pueden sintetizar en la evolución estelar regular, estamos bastante seguros de que son prácticamente todos los rayos cósmicos primarios. Es el único rayo cósmico primario puro, donde con otros tendrás algunos componentes secundarios alimentando eso también ".

"Hecho de polvo de estrellas"

La medición de los rayos cósmicos brinda a los científicos una visión única de los procesos de alta energía que ocurren lejos, lejos. Los rayos cósmicos que llegan a CALET representan "la materia de la que estamos hechos. Estamos hechos de polvo de estrellas, "Dice Cherry". Y fuentes energéticas, cosas como supernovas, expulsar ese material de sus interiores, hacia la galaxia, donde se distribuye, forma nuevos planetas, sistemas solares, y nosotros."

"El estudio de los rayos cósmicos es el estudio de cómo el universo genera y distribuye la materia, y cómo eso afecta la evolución de la galaxia, "Krizmanic agrega." Así que realmente está estudiando la astrofísica de este motor que llamamos la Vía Láctea que arroja todos estos elementos ".

Un esfuerzo global

La agencia espacial japonesa lanzó CALET y hoy lidera la misión en colaboración con los equipos de Estados Unidos e Italia. En los EE.UU., el equipo CALET incluye investigadores de LSU; El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA; UMBC; Universidad de Maryland, College Park; Universidad de Denver; y la Universidad de Washington. El nuevo artículo es el quinto de esta exitosa colaboración internacional publicada en PRL, una de las revistas de física más prestigiosas.

CALET se optimizó para detectar electrones de rayos cósmicos, porque su espectro puede contener información sobre sus fuentes. Eso es especialmente cierto para las fuentes que están relativamente cerca de la Tierra en términos galácticos:dentro de menos de una trigésima parte de la distancia a través de la Vía Láctea. Pero CALET también detecta los núcleos atómicos de los rayos cósmicos con mucha precisión. Ahora esos núcleos ofrecen información importante sobre las fuentes de los rayos cósmicos y cómo llegaron a la Tierra.

"No esperábamos que los núcleos, el carbono, oxígeno, protones, hierro:realmente comenzaría a mostrar algunas de estas diferencias detalladas que apuntan claramente a cosas que no sabemos, "Dice Cherry.

El último hallazgo crea más preguntas de las que responde, enfatizando que aún hay más que aprender sobre cómo se genera la materia y cómo se mueve alrededor de la galaxia. "Esa es una pregunta fundamental:¿Cómo se hace la materia?" Krizmanic dice. Pero, él añade, "Ese es el motivo por el que nos dedicamos a este negocio, para tratar de comprender mejor cómo funciona el universo ".