El nuevo modelo conecta los orígenes de los neutrinos de muy alta energía, rayos cósmicos de ultra alta energía, y rayos gamma de alta energía con chorros de agujeros negros incrustados en sus entornos.

Uno de los mayores misterios de la física de astropartículas ha sido el origen de los rayos cósmicos de energía ultra alta. neutrinos de muy alta energía, y rayos gamma de alta energía. Ahora, Un nuevo modelo teórico revela que todos podrían ser lanzados al espacio después de que los rayos cósmicos sean acelerados por poderosos chorros de agujeros negros supermasivos.

El modelo explica los orígenes naturales de los tres tipos de partículas "mensajeras cósmicas" simultáneamente, y es el primer modelo astrofísico de este tipo basado en cálculos numéricos detallados. Un artículo científico que describe este modelo, producido por científicos de Penn State y la Universidad de Maryland, se publicará como una publicación avanzada en línea en el sitio web de la revista Física de la naturaleza el 22 de enero 2018.

"Nuestro modelo muestra una manera de entender por qué estos tres tipos de partículas mensajeras cósmicas tienen una cantidad sorprendentemente similar de entrada de energía en el universo, a pesar del hecho de que son observados por detectores terrestres y espaciales de más de diez órdenes de magnitud en energía de partículas individuales, "dijo Kohta Murase, profesor asistente de física y astronomía y astrofísica en Penn State. "El hecho de que las intensidades medidas de neutrinos de muy alta energía, rayos cósmicos de ultra alta energía, y los rayos gamma de alta energía son aproximadamente comparables, lo que nos tentó a preguntarnos si estas partículas extremadamente energéticas tienen algunas conexiones físicas. El nuevo modelo sugiere que los neutrinos de muy alta energía y los rayos gamma de alta energía se producen naturalmente a través de colisiones de partículas como partículas hijas de rayos cósmicos. y así pueden heredar el balance energético comparable de sus partículas parentales. Demuestra que la energía similar de los tres mensajeros cósmicos puede no ser una mera coincidencia ".

Los rayos cósmicos de energía ultra alta son las partículas más energéticas del universo; cada una de ellas lleva una energía que es demasiado alta para ser producida incluso por el Gran Colisionador de Hadrones. el acelerador de partículas más potente del mundo. Los neutrinos son partículas misteriosas y fantasmales que casi nunca interactúan con la materia. Neutrinos de muy alta energía, con energía de más de un millón de megaelectronvoltios, se han detectado en el observatorio de neutrinos IceCube en la Antártida. Los rayos gamma tienen la energía electromagnética más alta conocida; aquellos con energías más de mil millones de veces más altas que un fotón de luz visible han sido observados por el telescopio espacial de rayos gamma Fermi y otros observatorios terrestres. "Combinar toda la información sobre estos tres tipos de mensajeros cósmicos es complementario y relevante, y este enfoque de mensajería múltiple se ha vuelto extremadamente poderoso en los últimos años, "Dijo Murase.

Murase y el primer autor de este nuevo artículo, Ke Fang, un asociado postdoctoral en la Universidad de Maryland, intentar explicar los últimos datos de mensajeros múltiples de neutrinos de muy alta energía, rayos cósmicos de ultra alta energía, y rayos gamma de alta energía, basado en una configuración astrofísica única pero realista. Descubrieron que los datos de múltiples mensajeros se pueden explicar bien mediante el uso de simulaciones numéricas para analizar el destino de estas partículas cargadas.

"En nuestro modelo, Los rayos cósmicos acelerados por poderosos chorros de núcleos galácticos activos escapan a través de los radio lóbulos que a menudo se encuentran al final de los chorros. "Dijo Fang." Luego calculamos la propagación e interacción de los rayos cósmicos dentro de los cúmulos y grupos de galaxias en presencia de su campo magnético ambiental. Además, simulamos la propagación e interacción de los rayos cósmicos en los campos magnéticos intergalácticos entre la fuente y la Tierra. Finalmente integramos las contribuciones de todas las fuentes del universo ".

Los principales sospechosos en el misterio de medio siglo de antigüedad sobre el origen de las partículas cósmicas de mayor energía en el universo estaban en galaxias llamadas "núcleos galácticos activos". "que tienen una región central súper radiante alrededor del agujero negro supermasivo central. Algunos núcleos galácticos activos están acompañados por poderosos chorros relativistas. Las partículas cósmicas de alta energía que son generadas por los chorros o sus entornos son lanzadas al espacio casi tan rápido como la velocidad de la luz.

"Nuestro trabajo demuestra que los rayos cósmicos de energía ultra alta que escapan de los núcleos galácticos activos y sus entornos, como los cúmulos y grupos de galaxias, pueden explicar el espectro y la composición de los rayos cósmicos de energía ultra alta. También pueden explicar algunos de los fenómenos inexplicables descubiertos por experimentos en tierra, "Dijo Fang." Simultáneamente, El espectro de neutrinos de muy alta energía por encima de los cien millones de megaelectronvoltios puede explicarse por las colisiones de partículas entre los rayos cósmicos y el gas en los cúmulos y grupos de galaxias. También, la emisión de rayos gamma asociada procedente de los cúmulos de galaxias y el espacio intergaláctico coincide con la parte inexplicable del fondo difuso de rayos gamma de alta energía que no está asociado con un tipo particular de núcleo galáctico activo ".

"Este modelo allana el camino para nuevos intentos de establecer un modelo unificado de cómo los tres mensajeros cósmicos están conectados físicamente entre sí por la misma clase de fuentes astrofísicas y los mecanismos comunes de neutrinos de alta energía y rayos gamma. producción, "Dijo Murase." Sin embargo, también hay otras posibilidades, y es necesario explicar varios misterios nuevos, incluyendo los datos de neutrinos en el rango de diez millones de mega-electronvoltios registrados por el observatorio de neutrinos IceCube en la Antártida. Por lo tanto, Las investigaciones adicionales basadas en enfoques de mensajería múltiple, que combinan la teoría con los datos de los tres mensajeros, son cruciales para probar nuestro modelo ".

Se espera que el nuevo modelo motive estudios de cúmulos y grupos de galaxias, así como el desarrollo de otros modelos unificados de partículas cósmicas de alta energía. Se espera que se pruebe rigurosamente cuando se comiencen a realizar observaciones con detectores de neutrinos de próxima generación como IceCube-Gen2 y KM3Net. y el telescopio de rayos gamma de próxima generación, Matriz de telescopios Cherenkov.

"La era dorada de la astrofísica de partículas de mensajeros múltiples comenzó muy recientemente, "Dijo Murase." Ahora, toda la información que podemos aprender de todos los diferentes tipos de mensajeros cósmicos es importante para revelar nuevos conocimientos sobre la física de las partículas cósmicas de energía extrema y una comprensión más profunda de nuestro universo ".