En el Observatorio Pierre Auger en Argentina, Se han detectado rayos cósmicos de galaxias lejanas. Crédito:Observatorio Pierre Auger
En un artículo publicado hoy en la revista Ciencias , La Colaboración Pierre Auger ha respondido definitivamente a la pregunta de si hay partículas cósmicas fuera de la Vía Láctea. El artículo, titulado "Observación de una anisotropía a gran escala en las direcciones de llegada de rayos cósmicos por encima de 8 × 1018 eV", señala que estudiar la distribución de las direcciones de llegada de los rayos cósmicos es el primer paso para determinar dónde se originan las partículas extragalácticas.
Los científicos colaboradores pudieron realizar sus grabaciones utilizando el observatorio de rayos cósmicos más grande jamás construido. el Observatorio Pierre Auger en Argentina. En esta colaboración se incluyen David Nitz y Brian Fick, profesores de física en la Universidad Tecnológica de Michigan.
"Ahora estamos considerablemente más cerca de resolver el misterio de dónde y cómo se crean estas partículas extraordinarias, una cuestión de gran interés para los astrofísicos, "dice Karl-Heinz Kampert, profesor de la Universidad de Wuppertal en Alemania y portavoz de Auger Collaboration, que involucra a más de 400 científicos de 18 países.
Los rayos cósmicos son los núcleos de elementos desde el hidrógeno hasta el hierro. Estudiarlos les da a los científicos una forma de estudiar la materia fuera de nuestro sistema solar, y ahora, fuera de nuestra galaxia. Los rayos cósmicos nos ayudan a comprender la composición de las galaxias y los procesos que ocurren para acelerar los núcleos a casi la velocidad de la luz. Al estudiar los rayos cósmicos, los científicos pueden llegar a comprender qué mecanismos crean los núcleos.
El astrónomo Carl Sagan dijo una vez:"El nitrógeno en nuestro ADN, el calcio en nuestros dientes, el hierro en nuestra sangre, el carbono de nuestras tartas de manzana se fabricó en el interior de estrellas que colapsan. Estamos hechos de material estelar ".
Para hacerlo mas simple, comprender los rayos cósmicos y dónde se originan puede ayudarnos a responder preguntas fundamentales sobre los orígenes del universo, nuestra galaxia y nosotros mismos.
Este mapa muestra la ubicación de los detectores de superficie en la matriz. Crédito:Observatorio Pierre Auger
Increíblemente enérgico y viajero
Es extremadamente raro que los rayos cósmicos con energía superior a dos julios lleguen a la Tierra; la tasa de su llegada a la cima de la atmósfera es de solo uno por kilómetro cuadrado por año, el equivalente a un rayo cósmico que golpea un área del tamaño de un campo de fútbol aproximadamente una vez por siglo.
Un julio es una medida de energía; un julio es equivalente a un 3, 600 de vatio-hora. Cuando una sola partícula de rayo cósmico golpea la atmósfera de la Tierra, esa energía se deposita en unas pocas millonésimas de segundo.
Estas partículas raras son detectables porque crean lluvias de electrones, fotones y muones a través de sucesivas interacciones con los núcleos de la atmósfera. Estas lluvias se extienden barriendo la atmósfera a la velocidad de la luz en una estructura en forma de disco, como un plato gigante, varios kilómetros de diámetro. Contienen más de 10 mil millones de partículas.
En el Observatorio Pierre Auger, Los rayos cósmicos se detectan midiendo la luz Cherenkov:radiación electromagnética emitida por partículas cargadas que atraviesan un medio. como el agua, a mayor que la velocidad de fase de la luz en ese medio. El equipo mide la luz de Cherenkov producida en un detector, que es una gran estructura de plástico que contiene 12 toneladas de agua. Captan una señal en algunos detectores dentro de una matriz de 1, 600 detectores.
Los detectores se distribuyen en 3, 000 kilómetros cuadrados cerca de la localidad de Malargüe en el occidente argentino, un área comparable en tamaño a Rhode Island. Los tiempos de llegada de las partículas a los detectores, medido con receptores GPS, se utilizan para determinar la dirección desde la cual vinieron las partículas dentro de aproximadamente un grado.
Al estudiar la distribución de las direcciones de llegada de más de 30, 000 partículas cósmicas, Auger Collaboration ha descubierto una anisotropía, que es la diferencia en la velocidad de llegada de los rayos cósmicos según la dirección en la que mire. Esto significa que los rayos cósmicos no provienen uniformemente de todas las direcciones; hay una dirección en la que la tasa es más alta.
David Nitz muestra una placa de circuito detector de superficie mejorada. Crédito:Kelley Christensen
La anisotropía es significativa a 5,2 desviaciones estándar (una probabilidad de alrededor de dos en diez millones) en una dirección donde la distribución de las galaxias es relativamente alta. Aunque este descubrimiento indica claramente un origen extragaláctico de las partículas, las fuentes específicas de los rayos cósmicos aún se desconocen.
La dirección apunta a un área amplia del cielo en lugar de a fuentes específicas porque incluso esas partículas energéticas son desviadas por unas pocas decenas de grados en el campo magnético de nuestra galaxia.
Se han observado rayos cósmicos con una energía aún mayor que los utilizados en el estudio de Pierre Auger Collaboration, algunos incluso con la energía cinética de una pelota de tenis bien golpeada. Como se espera que las deflexiones de tales partículas sean menores debido a su mayor energía, las direcciones de llegada deben apuntar más cerca de sus lugares de nacimiento. Estos rayos cósmicos son aún más raros y se están realizando más estudios para precisar qué objetos extragalácticos son las fuentes.
El conocimiento de la naturaleza de las partículas ayudará a esta identificación, y el trabajo continuo sobre este problema está previsto en la actualización del Observatorio Auger que se completará en 2018.
Se necesita una aldea (global)
Llevar a cabo este calibre de ciencia no es tarea de un solo individuo. Más de 400 científicos han contribuido a la investigación. En Michigan Tech, David Nitz, profesor de física, Contribuye a la electrónica que registra las señales en los tanques de agua. Ha escrito el código que está programado en los circuitos, que convierte la luz Cherenkov en los detectores del tanque de agua en señales digitales. Esto permite que el hardware tome decisiones muy rápidas sobre las señales registradas en los tanques y si vale la pena analizarlas más a fondo.
"Realmente disfruto de este tipo de ciencia. Pero soy un tipo práctico, "Dice Nitz." Visualizo cómo pasamos del concepto a construir realmente un instrumento para que podamos abordar esa ciencia. Eso es lo que he estado haciendo durante toda mi carrera científica:responder cómo abordamos la realización de esas mediciones ".
Parte de la actualización del Observatorio Auger es reemplazar las placas de circuito más antiguas por otras más nuevas que tienen una mayor capacidad para procesar señales de forma más rápida y precisa. e incorporar las señales de detectores adicionales. Estos detectores adicionales incluyen un detector de centelleo sobre cada detector de superficie, y agregar un cuarto tubo fotomultiplicador a cada detector.
