Casi todo lo que sabemos del universo, lo sabemos gracias a la luz que nos llega del cosmos. No sólo la luz visible, sino todas las radiaciones electromagnéticas, que son luces que no podemos ver. Pero no todo: también nos llegan ondas gravitacionales, que desde hace pocos años pueden detectarse. Y también llega materia, que es algo completamente distinto de la radiación. De todos lados nos llega una lluvia continua de partículas materiales, subatómicas, llamadas en general rayos cósmicos, aunque no son rayos, pero sí son cósmicos. Contienen información de los procesos que las produjeron y las mandaron hacia nosotros. No todos lo saben, pero el observatorio de rayos cósmicos más grande del mundo está en la Argentina: el Observatorio Pierre Auger en la provincia de Mendoza, y buena parte del trabajo científico (teórico y experimental) se hace aquí, en el Centro Atómico Bariloche, en la División de Partículas y Campos.
Hace poco, en el Congreso IB70 (en celebración de los 70 años del Instituto Balseiro), Geraldina Golup presentó buenísimos resultados sobre los rayos cósmicos de las más altas energías, que son la especialidad del Auger.
Como mencioné arriba, los rayos cósmicos son partículas de materia, en general protones, pero también núcleos más pesados. Cuando llegan a la Tierra se encuentran con el aire de las capas superiores de la atmósfera y no pueden atravesarla como haría un rayo de luz. Así que no llegan a la superfice. En cambio, chocan contra un átomo del aire y se desencadena una cascada de reacciones nucleares, con producción de una cantidad de partículas inestables (típicamente muones y piones: un primo pesado del electrón y un primo liviano del protón). Esta cascada sí llega a la superficie, donde puede ser detectada. En Auger hay una red de tanques de agua purísima, y cuando una partícula los atraviesa, como se mueven más rápido que la luz, producen una lucecita que queda registrada. Los tanques de la red funcionan como pixels, y permiten reconstruir la cascada de partículas hasta el rayo originario, incluyendo la dirección y la energía que traía. Esta es una simulación de una de estas cascadas (los puntitos en el paisaje son los tanques detectores):
Una caracterización importante de los rayos cósmicos es cuántos hay de cada energía: su espectro. Resulta que hay muchísimos más de energías bajas que de energías altas. Auger se construyó, hace 20 años, precisamente para explorar el espectro a energías altas, que era en buena parte desconocido. La razón es que la cantidad de rayos cósmicos de energías muy altas es abrumadoramente pequeña, son muy muy poquitos: apenas llega una por kilómetro cuadrado por siglo. Es decir, si hacemos un detector de 1 km cuadrado, para ver una partícula hay que esperar un siglo. ¿Qué alternativa hay? ¡Usar más kilómetros cuadrados! Así que Auger se construyó muy grande: el arreglo de tanques detectores abarca 3000 km cuadrados, lo cual permitiría observar unas 30 de esas escasas partículas por año. Y lo está haciendo desde hace 20 años. Geraldina mostró este gráfico del espectro de altas energías:
La formita que tiene esta curva se llama tobillo del espectro de rayos cósmicos (hay una rodilla a energías más bajas). Cuando se construyó Auger se sospechaba su existencia, pero Auger ha finalmente confirmado la forma que tiene. Noten que el eje (horizontal) de energías va entre 1 y unos 300 EeV (Exa electrón-volt). Exa es un prefijo menos conocido que kilo (mil), Mega (un millón) o Giga (mil millones): Exa significa 10 a la 18 (¡un millón de millones de millones!). Vemos en el gráfico que Auger ha medido partículas de esa inmensa energía, y Geraldina anotó debajo del gráfico que el flujo observado es de ¡una partícula por kilómetro cuadrado por milenio! Evidentemente Auger está funcionando tal cual lo imaginaron sus diseñadores. Dije "energía inmensa", pero no se crean que es una bomba atómica. Es interesante convertir esa energía a las unidades típicas del mundo macroscópico, como el joule. El electrón-volt (eV) es una unidad pequeñísima de energía, pero el Exa es tan grande, que 100 EeV son 16 joules, que es más o menos la energía cinética de una pelota de volley en el saque, o la energía solar que llega a un metro cuadrado de suelo en 1 segundo, o la energía que se necesita para levantar un kilo de manzanas del piso a la mesada. Es decir, no es una energía "inmensa" para la vida cotidiana, pero es una energía macroscópica concentrada en una única partícula subatómica. Guau. Si te pegara ese protón en la cara, ¿lo sentirías? Yo creo que no, te atravesaría dejando muy poca energía depositada en tu cuerpo, causando algún destrozo a nivel molecular. A menos que te atravesara uno ojo, ni te darías cuenta.
Bueno, ¿de dónde vienen estas partículas tan energéticas? ¿Qué procesos astrofísicos las producen? Hay un problema con los rayos cósmicos: como son partículas con carga eléctrica, el campo magnético de la Vía Láctea curva sus trayectorias y enmascara su origen. Por suerte, los rayos de más alta energía sufren menos estas desviaciones, así que más o menos se puede ver de dónde vienen. Nuevamente, Auger ha sido fundamental para establecer que los rayos cósmicos con energías superiores al "tobillo" vienen de fuera de la Vía Láctea. De esto ya no hay ninguna duda, y de hecho Auger ha establecido que el origen mismo del tobillo es la transición entre los rayos cósmicos de origen galáctico y los extragalácticos, algo que se ignoraba.
¿Y de dónde vienen? Auger ha podido estudiar con razonable precisión sus direcciones de arribo. Puestos en un mapa de todo el cielo se ven así:
Estos mapas son en coordenadas galácticas (con la Vía Láctea en el "ecuador", y el centro galáctico en el medio del óvalo). La parte sin datos corresponde a la región del cielo que Auger no puede ver por su latitud. Los colores rojos, en el gráfico del medio, indican mayor flujo de rayos cósmicos viniendo de esa región del cielo. Voy a poner la versión del paper que se ve mejor:
Es evidente que la mayor parte del exceso de rayos cósmicos de ultra alta energía vienen de una región a unos 300 grados de longitud galáctica, un poco hacia el norte del ecuador galáctico. ¿Qué hay en ese lugar? Esta galaxia:
Centaurus A es una galaxia relativamente cercana, que tiene en medio un agujero negro supermasivo destruyendo materia activamente, con un fuerte campo magnético que produce dos jets de materia y energía más grandes que la galaxia misma. Es la situación ideal para acelerar partículas subatómicas hasta las energías observadas en los rayos cósmicos. En el mapa se ven otras manchas rojas: varias alrededor de Cen A, otra en la región del Polo Sur Galáctico, y se adivina que debe haber otra en el hemisferio norte, justo por fuera de la región accesible a Auger. La resolución de estas fuentes no es muy buena, por el efecto del campo magnético galáctico sobre los rayos cósmicos, como dijimos. Pero Geraldina y sus colegas han analizado estadísticamente el mapa correlacionándolo con catálogos de galaxias activas cercanas (galaxias de las llamadas starbust, que producen estrellas a una tasa inusualmente elevada). ¿Por qué cercanas? ¿No podrían venir rayos cósmicos del otro lado del universo, así como vemos supernovas explotando a miles de millones de años luz? No: en un viaje tan largo, las partículas cargadas interactúan con los fotones del fondo cósmico de microondas, se desintegran y se pierden. Así que hay un "horizonte", de algunos cientos de millones de años luz, para la propagación de estos rayos cósmicos de alta energía. El resultado de las correlaciones favorece que hay otras dos fuentes en el cielo cercanas a Centaurus A: NGC 4945 y Messier 83, las galaxias de nuestra temporada de otoño:
¿Y en el Polo Sur Galáctico? Obviamente, se trata de NGC 253:
¿Y la fuente invisible, en el hemisferio norte? Es Messier 82, la famosa galaxia starburst de Ursa Major:
Estas galaxias no están ahí por casualidad, pero de eso me ocuparé la semana que viene, porque esta nota ya quedó demasiado larga.
La foto de M82 es de NASA/ESA/Hubble. La simulación de una cascada es del Observatorio Pierre Auger (Cosmus, Universidad de Chicago). Las otras son mías. Los papers interesantes que revisé después de la charla de Geraldina son:
Auger Collaboration, The distribution of ultrahigh-energy cosmic rays along the supergalactic plane
measured at the Pierre Auger Observatory, ApJ 984:123 (2025).
Auger Collaboration, Arrival directions of cosmic rays above 32 EeV from Phase One of the Pierre Auger Observatory, ApJ 935:170 (2022).
Golup. An update on the arrival direction studies made with data from the Pierre Auger Observatory, PoS (ICRC2023) 252.
Auger Collaboration, Energy spectrum of ultrahigh-energy cosmic rays across declinations −90° to +44.8° as measured at the Pierre Auger Observatory, Phys. Rev. Lett. 135:241002 (2025).