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El observatorio HAWC de rayos gamma (High-Altitude Water Cherenkov) situado en el Volcán Sierra Negra, Puebla, ha revelado un catálogo de nueve regiones de nuestro Universo que emiten rayos gamma de altísima energía, lo que las hace las fuentes más energéticas que han sido observadas en nuestra galaxia. las fuentes de rayos cósmicos de mayor energía reportadas hasta ahora.

Estas fuentes generan rayos gamma de más de 56 trillones de electrón volts (TeV) y en tres de ellas sobrepasan los 100 TeV. Estas energías son diez veces mayores que la máxima energía que se ha alcanzado en la Tierra con el acelerador de partículas del Gran Colisionador de Hadrones en Suiza.

El catálogo, que acaba de ser publicado en la revista Physical Review Letters, identifica por primera vez que estas regiones, en las que se aceleran partículas de rayos cósmicos, están ubicadas alrededor de pulsares extremadamente energéticos.

Estos pulsares son estrellas de neutrones altamente magnetizadas que giran muy rápidamente y que son creadas cuando una estrella normal muere en una explosión de supernova.

“Es asombroso que estas nueve fuentes de rayos gamma ultra energéticos coinciden con pulsares, la mayoría a distancias de unos 6,000 años luz de nosotros. Observamos que los rayos gamma no son producidos en las inmediaciones del pulsar sino en regiones extendidas que llegan a tener de diez a setenta años luz”, dijo Andrés Sandoval, investigador del Instituto de Física de la UNAM y portavoz de la colaboración HAWC.las fuentes de rayos cósmicos de mayor energía reportadas hasta ahora.

El observatorio de rayos gamma HAWC se encuentra en las faldas del Volcán Sierra Negra, en el Estado de Puebla. Detecta las cascadas de partículas que se producen cuando lo rayos gamma chocan en lo alto de la atmósfera.

En busca del origen de los rayos cósmicos

La Tierra está continuamente bañada por rayos cósmicos y aunque fueron descubiertos por Victor Hess hace 100 años, aún no se tiene claro cuáles son las fuentes y los mecanismos que los producen.

Esto es debido a que los rayos cósmicos son partículas cargadas y los campos magnéticos interestelares cambian su dirección. Este cambio impide identificar las fuentes que los generan, sin embargo, los rayos gamma de alta energía sí permiten identificarlas debido a su composición.

Los rayos gamma de alta energía son producidos por interacciones de rayos cósmicos de aún más alta energía con partículas del medio en el que son acelerados.

Esto quiere decir que cuando los protones y núcleos que constituyen los rayos cósmicos chocan con átomos del medio generan reacciones nucleares que, al decaer, emiten rayos gamma, electrones y positrones. Estos últimos pueden interaccionar con fotones de baja energía y les transmiten la mayor parte de su energía, transformándolos en rayos gamma.

La ventaja de los rayos gamma es que siendo neutrales por no tener carga eléctrica viajan en línea recta hasta la Tierra y señalan a las fuentes donde son producidos.

Mapa de las fuentes galácticas de rayos gamma más energéticas que se han observado hasta ahora. En color se ven las regiones que emiten rayos gamma de más de 57 mil millones de electrón volts (la luz visible tiene una energía de 1 electrón volt). Estas regiones están asociadas a pulsares indicados por los círculos en blanco y negro, estrellas de neutrones que, aunque tienen varias veces la masa del sol, sus dimensiones son de solamente unos 30 km de diámetro. Las regiones que emiten rayos gamma son mucho más extensas llegando a tener hasta 60 años luz.

El poder de observación de HAWC

“El descubrimiento de estas regiones en las que se pueden encontrar “PeVatrones”, aceleradores de partículas a energías de mil trillones de electrón volts (PeV) muestra la capacidad de HAWC al ser el observatorio que detecta las más alta energías en el mundo”, afirmó Magdalena González, investigadora del Instituto de Astronomía de la UNAM. “Continuaremos observando el firmamento día y noche por los siguientes años para descubrir nuevos fenómenos en nuestro Universo”, dijo la investigadora.

“El haber encontrado con HAWC estas regiones de producción de rayos gamma ultra energéticos nos permite ahora colaborar con otros observatorios para estudiar estas fuentes con fotones de otras energías: en radio, rayos X y rayos gamma de menor energía y con otras partículas como neutrinos que está detectando el observatorio IceCube desde la Antártica”, comentó Alberto Carramiñana investigador del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) y coordinador científico de HAWC.las fuentes de rayos cósmicos de mayor energía reportadas hasta ahora.

Las futuras colaboraciones podrían contribuir a resolver el misterio y discernir, por ejemplo, si el origen de los rayos gamma es debido a interacciones de protones o de electrones. De ser producidos por protones significaría que finalmente se han identificado regiones en las que rayos cósmicos son acelerados, cerrando el capítulo que se inició con su descubrimiento por Victor Hess hace 100 años.

El observatorio HAWC de rayos gamma consiste en un arreglo de 300 grandes detectores de Cherenkov cubriendo un área de 20,000 metros cuadrados en las faldas del Volcán Sierra Negra a 4,100 m de altitud junto al Pico de Orizaba en Puebla.

Los rayos gamma interaccionan con átomos a decenas de kilómetros de altura, produciendo una cascada de partículas que se propaga por la atmósfera a la velocidad de la luz.

Cuando las partículas llegan a los grandes contenedores de agua de HAWC producen destellos de luz por el efecto Cherenkov que son detectados por el experimento. Almacenando 25 mil eventos por segundo día y noche, HAWC cubre dos tercios de la bóveda celeste y ha estado en operación desde hace cinco años.

Con 300 grandes detectores de luz Cherenkov en agua el observatorio detecta 25 mil eventos por segundo día y noche escaneando dos tercios de la bóveda celeste cada día.

*Agradecemos el apoyo de la Secretaría de Educación, Ciencia, Tecnología e Innovación de la CDMX para el desarrollo de este contenido, que forma parte del proyecto "Física para Todos desde el Instituto de Física".