Cada segundo, una partícula de alta energía atraviesa nuestro cuerpo. La mayoría ni la sentimos, pero algunas tienen tanta energía que superan todo lo que la humanidad ha sido capaz de crear en un laboratorio. Son los llamados rayos cósmicos. Desde hace décadas, los científicos intentan responder a una pregunta clave: ¿de dónde vienen los más potentes de todos? Uno de los candidatos favoritos ha sido siempre el remanente de supernova, el corazón de una estrella que ha explotado. Sin embargo, hasta ahora, no había pruebas claras de que pudieran acelerar partículas hasta los niveles más extremos: los del PeV, un cuatrillón de electronvoltios. Un término que va a ir cogiendo fuerza en los siguientes años y que ya hemos tratado aquí: el PeVatron.
Un nuevo estudio aceptado para su publicación en Astronomy & Astrophysics da un giro decisivo a esta búsqueda. El equipo internacional de investigadores liderado por R. Brose ha demostrado que, en determinadas condiciones, una supernova no solo puede alcanzar esas energías, sino que puede hacerlo en sus primeros meses de vida. Tal y como escriben en el paper, “las interacciones dentro de los primeros 5 meses después de la explosión pueden incrementar la energía máxima a más de 1 PeV” . Es un hallazgo que no solo valida la hipótesis de las supernovas como aceleradores naturales, sino que redefine el papel que estos eventos extremos pueden tener en la producción de rayos cósmicos galácticos.
Un acelerador cósmico más allá de lo previsto
Los aceleradores de partículas creados por el ser humano, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Suiza, alcanzan energías del orden de los teraelectronvoltios (TeV). Incluso hay aceleradores que prometen soportar las temperaturas del interior del Sol. Pero hay partículas detectadas en la Tierra que superan ese límite hasta en mil veces. ¿Cómo es posible que la naturaleza consiga algo que ni las tecnologías más avanzadas pueden replicar?
La clave, según los autores del estudio, está en las capas densas de materia que rodean algunas estrellas justo antes de su colapso. Estas capas no son uniformes ni estables, sino que resultan de episodios violentos de pérdida de masa. En particular, las llamadas estrellas variables azules luminosas (LBV) pueden expulsar grandes cantidades de material en los años previos a su explosión, creando un entorno muy denso y turbulento. Cuando la onda de choque de la supernova choca con esta capa, se producen las condiciones perfectas para la aceleración extrema de partículas.
El equipo realizó simulaciones detalladas utilizando el código RATPaC, un modelo computacional capaz de reproducir simultáneamente la dinámica del plasma térmico, el transporte de rayos cósmicos y la evolución de los campos magnéticos turbulentos. Gracias a esta herramienta, lograron establecer que el choque con la envoltura densa no solo amplifica el campo magnético, sino que también prolonga el tiempo durante el cual las partículas pueden ser aceleradas, lo que se traduce en un aumento notable de la energía final de los rayos cósmicos.
El papel de las estrellas más masivas
No todas las supernovas tienen el mismo comportamiento ni generan los mismos efectos. Según el paper, solo una fracción muy pequeña de ellas —aquellas asociadas a progenitores masivos con estructuras externas complejas— pueden convertirse en lo que los autores denominan PeVatrons. Este término designa a los objetos capaces de generar partículas con energías del orden de los PeV.
En sus modelos, Brose y su equipo comprobaron que la interacción entre la onda de choque y las capas de gas eyectadas antes de la explosión debe producirse en los primeros 140 días tras el estallido para alcanzar esos niveles. “Predecimos que interacciones tempranas antes de ∼140 días conducen a una energía máxima superior a 1 PeV”, explican . Cuanto más densa y cercana sea la capa, mayor será la aceleración lograda.
Las condiciones necesarias para este fenómeno son poco frecuentes. Solo alrededor del 5 % de las supernovas de colapso del núcleo (CCSN) cumplen con estas características. Sin embargo, su contribución podría ser clave para explicar el enigmático origen de los rayos cósmicos más energéticos detectados en la galaxia.
Un proceso fugaz y difícil de detectar
Uno de los motivos por los que este fenómeno ha pasado desapercibido hasta ahora es su breve duración. El periodo en el que una supernova actúa como acelerador extremo dura apenas unos meses. Después de ese pico inicial, la energía del choque disminuye, la turbulencia decae y el proceso pierde eficacia.
Esto explica por qué las observaciones de remanentes cercanos como Tycho o Cassiopeia A no han mostrado señales claras de rayos cósmicos por encima de los 100 TeV. Para cuando los astrónomos pueden observar estos objetos, ya han dejado de comportarse como PeVatrons. En palabras del artículo de Live Science que comenta el estudio, “aunque una supernova estalla en la Vía Láctea cada pocos años, ninguna ha estado lo suficientemente cerca en tiempos modernos como para observar esa ventana breve”.
El hallazgo también sugiere que futuras observaciones deberían centrarse en capturar los primeros días tras una explosión, especialmente en supernovas de tipo IIn o asociadas a LBV, para buscar signos tempranos de emisión en rayos gamma y otras señales de aceleración de partículas.
Lo que ocurre dentro de la tormenta
El mecanismo de aceleración descrito en el estudio se basa en un fenómeno conocido como difusión en ondas de choque. En este proceso, las partículas son atrapadas en la zona de choque y rebotan continuamente entre regiones de alta turbulencia. Cada rebote les aporta más energía. Cuando la onda de choque atraviesa una capa densa de gas, el campo magnético local se amplifica y la cantidad de partículas disponibles aumenta, generando una especie de efecto multiplicador.
Según el paper, “la interacción con las capas circunestelares puede incrementar significativamente la energía máxima al potenciar la fuga de partículas durante el inicio del choque” . Además, cuando la onda supera la capa y entra en una región menos densa, sigue beneficiándose del campo amplificado previamente, prolongando así el proceso.
El equipo también detectó que esta dinámica genera picos en la velocidad de la onda de choque, debidos a choques reflejados dentro de la envoltura de gas. Esos picos, aunque breves, contribuyen también a la aceleración de partículas a niveles extremos.
¿Un laboratorio natural para los rayos cósmicos?
Los resultados de este trabajo tienen implicaciones profundas para la astrofísica. Si se confirma que ciertos tipos de supernovas pueden actuar como aceleradores naturales capaces de rivalizar con los más avanzados colisionadores humanos, se abre un nuevo campo para estudiar los procesos de alta energía en el universo.
También plantea una cuestión interesante sobre la composición y distribución de los rayos cósmicos que llegan a la Tierra. ¿Podrían estas supernovas raras ser responsables de una parte significativa de los rayos cósmicos más energéticos? Aunque el estudio sugiere que es poco probable que sean la fuente dominante, sí podrían desempeñar un papel importante en un rango de energías que hasta ahora no se comprendía del todo.
El próximo paso será observar supernovas jóvenes con telescopios sensibles a rayos gamma y otras formas de radiación no térmica. Si se detectan las señales predichas por las simulaciones, se estaría no solo confirmando el modelo, sino también asistiendo al funcionamiento de uno de los motores más extremos del cosmos, en directo.
Referencias
Cortesía de Muy Interesante
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