Un observatorio en la cima de una montaña en México, construido y operado por un equipo internacional de científicos, ha capturado la primera vista gran angular de rayos gamma que emanan de dos estrellas que giran rápidamente. El Observatorio de Rayos Gamma de High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) brindó una nueva perspectiva sobre la transmisión de luz de alta energía de estos vecinos estelares, arrojando serias dudas sobre una posible explicación de un misterioso exceso de partículas de antimateria cerca de la Tierra.

En 2008, Los astrónomos observaron un número inesperadamente alto de positrones, los primos antimateria de los electrones, en órbita a unos cientos de millas sobre la atmósfera de la Tierra. Desde entonces, los científicos han debatido la causa de la anomalía, dividido en dos teorías en competencia sobre su origen. Algunos sugirieron una explicación simple:las partículas adicionales podrían provenir de estrellas colapsadas cercanas llamadas púlsares, que giran varias veces por segundo y arrojan electrones, positrones y otras materias con fuerza violenta. Otros especularon que los positrones adicionales podrían provenir de procesos relacionados con la materia oscura, la sustancia invisible pero omnipresente que hasta ahora solo se ve a través de su atracción gravitacional.

Utilizando nuevos datos del observatorio HAWC, Los investigadores realizaron las primeras mediciones detalladas de dos púlsares previamente identificados como posibles fuentes del exceso de positrones. Al capturar y contar las partículas de luz que fluyen de estos motores estelares cercanos, Los investigadores de la colaboración de HAWC encontraron que es poco probable que los dos púlsares sean el origen del exceso de positrones. A pesar de tener la edad adecuada y la distancia adecuada de la Tierra, los púlsares están rodeados por una nube turbia extendida que evita que la mayoría de los positrones escapen, según los resultados publicados el 17 de noviembre, Número 2017 de la revista Ciencias .

"Esta nueva medición es tentadora porque desfavorece en gran medida la idea de que estos positrones adicionales están llegando a la Tierra desde dos púlsares cercanos, al menos cuando asume un modelo relativamente simple de cómo los positrones se difunden lejos de estas estrellas giratorias, "dijo Jordan Goodman, profesor de física en la Universidad de Maryland e investigador principal y portavoz estadounidense de la colaboración HAWC. "Nuestra medición no decide la cuestión a favor de la materia oscura, pero cualquier teoría nueva que intente explicar el exceso utilizando púlsares deberá tener en cuenta lo que hemos encontrado ".

Francisco Salesa Greus, el autor principal correspondiente del nuevo artículo y científico del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia en Cracovia, Polonia, agregó que "estamos más cerca de comprender el origen del exceso de positrones luego de excluir a dos de las principales fuentes candidatas".

Un ojo en el cielo

Al igual que con una cámara normal, La recolección de mucha luz permite a HAWC crear imágenes nítidas de fuentes de rayos gamma individuales. Los rayos gamma más energéticos se originan en los cementerios de grandes estrellas, alrededor de restos estelares como los restos de púlsar giratorios de supernovas. Pero esa luz no proviene de las estrellas mismas. En lugar de, se crea cuando el púlsar giratorio acelera las partículas a energías extremadamente altas, haciendo que se estrellaran contra los fotones de menor energía que quedaron del universo temprano.

El tamaño del campo de escombros alrededor de potentes púlsares, medido por el parche de cielo que brilla intensamente en rayos gamma, les dice a los investigadores qué tan rápido se mueve la materia en relación con las estrellas giratorias. Esto permite a los investigadores estimar qué tan rápido se mueven los positrones y cuántos positrones podrían haber llegado a la Tierra desde una fuente determinada.

Usando un catálogo HAWC publicado recientemente del cielo de alta energía, Los científicos han absuelto al púlsar cercano Geminga ya su hermano —el púlsar PSR B0656 + 14— como fuentes del exceso de positrones. A pesar de que los dos son lo suficientemente mayores y lo suficientemente cercanos para dar cuenta del exceso, la materia no se está alejando de los púlsares lo suficientemente rápido como para haber llegado a la Tierra.

"Las medidas de HAWC de rayos gamma demuestran que hay positrones de alta energía que escapan de estas fuentes, "dijo Rubén López-Coto, científico del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg, Alemania y autor correspondiente. "Pero según nuestra medida, no podrían estar contribuyendo significativamente a los positrones adicionales que se ven en la Tierra ".

Esta medición no habría sido posible sin la amplia visión de HAWC. Escanea continuamente alrededor de un tercio del cielo en lo alto, lo que proporcionó a los investigadores una visión amplia del espacio alrededor de los púlsares. Otros observatorios que buscaban rayos gamma de alta energía con un campo de visión mucho más estrecho pasaron por alto la naturaleza extendida de los púlsares.

El Observatorio HAWC se encuentra a una altura de 13, 500 pies, flanqueando el volcán Sierra Negra dentro del Parque Nacional Pico de Orizaba en el estado mexicano de Puebla. Consiste en más de 300 tanques de agua masivos que esperan cascadas de partículas iniciadas por paquetes de luz de alta energía llamados rayos gamma, muchos de los cuales tienen más de 10 millones de veces la energía de una radiografía dental.

Cuando estos rayos gamma se estrellan contra la atmósfera superior, destrozan átomos en el aire, produciendo una lluvia de partículas que se mueve casi a la velocidad de la luz hacia el suelo. Cuando esta lluvia llegue a los tanques de HAWC, produce destellos coordinados de luz azul en el agua, permitiendo a los investigadores reconstruir la energía y el origen cósmico del rayo gamma que inició la cascada.

"Gracias a su amplio campo de visión, HAWC proporciona mediciones únicas en los perfiles de rayos gamma de muy alta energía causados ​​por la difusión de partículas alrededor de los púlsares cercanos. lo que nos permite determinar qué tan rápido se difunden las partículas de manera más directa que las mediciones anteriores, "dice Hao Zhou, científico del Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México y autor correspondiente del nuevo artículo.

Es posible que una nueva perspectiva sobre la astrofísica de estos púlsares y sus entornos locales pueda explicar el exceso de positrones en la Tierra, pero requeriría una teoría de la difusión de positrones más complicada de lo que los físicos en la colaboración creen que es probable. Por otra parte, la materia oscura puede proporcionar la explicación correcta, pero, en última instancia, se necesitarán más pruebas para tomar una decisión.