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Misterio del origen de los rayos cósmicos finalmente resuelto

Existe un consenso general entre los científicos de que los remanentes de supernova (los restos de la explosión de una supernova) son las fuentes de los rayos cósmicos, pero la prueba final ha sido difícil de alcanzar ya que los rayos cósmicos son desviados en su camino desde la fuente a la Tierra

Los protones que se hunden constantemente en la atmósfera de la Tierra a casi la velocidad de la luz obtuvieron sus enormes energías de las estrellas en explosión. Los físicos y astrónomos lo habían sospechado por mucho tiempo, pero la evidencia directa de que la idea es correcta ha sido difícil de conseguir… hasta ahora.

Los rayos cósmicos son diversas partículas cargadas que llegan a la Tierra desde el espacio. Casi todas ellas son protones, y algunos han sido acelerados a velocidades superiores a las que se consiguen en la actualidad mediante un acelerador de partículas en la Tierra. Aunque hemos conocido a los rayos cósmicos desde 1912, sus orígenes seguían siendo un enigma.

«Es un misterio de 100 años de antigüedad», dice Stefan Funk, del SLAC National Accelerator Laboratory, en Menlo Park, California. «¿Qué crea estas energías tan grandes?»

Los físicos sospechaban que una fuente posible es la violenta explosión de una supernova dentro de la Vía Láctea. El material despedido en el proceso se mueve tan rápidamente que crea una onda de choque. Cada vez que un protón cruza el límite de la onda de choque, recibe impulso adicional.

Debido a que los protones tienen carga, pueden quedar atrapados en los campos magnéticos que les llevan hacia atrás y adelante a través de la descarga muchas veces, como una pelota de tenis que rebota hacia atrás y adelante contra una red. «Con el tiempo su energía se hace suficientemente grande para que puedan salir de la región de shock», dijo Funk. «Entonces es un rayo cósmico recién nacido».

Revoltijo total

Pero los campos magnéticos también pueden desviar los rayos cósmicos en su camino hacia nuestros detectores. En el momento en que lleguen a la Tierra, sus direcciones están totalmente revueltas, por lo que es difícil determinar su origen.

Se necesitaba otro enfoque para el problema… y fueron los rayos gamma los que lo aportaron. Sabemos que cuando los protones de alta energía chocan con los protones de baja energía a gran distancia, la violencia de la colisión crea indirectamente rayos gamma. Estos no están cargados y viajan en línea recta, al no ser afectados por los campos magnéticos.

Funk y sus colegas utilizaron el Telescopio Fermi de Rayos Gamma para observar dos brillantes restos de supernova en la galaxia, llamados IC 433 y W44. ¿Llevarían los rayos gamma provenientes de estos objetos la firma reveladora de haber sido producidos por colisiones de protones?

Debido a la conservación de la energía, los rayos gamma producidos durante colisiones de protones tendrán una energía mínima de entre 150 y 200 megaelectronvolts cada uno, dice Funk. Si muchos de los protones chocan cerca del remanente de supernova, debería haber más rayos gamma con esa energía o mayor que de ella… y casi ninguno con energías más bajas

«Eso es exactamente lo que vemos», dijo Funk. «Esta es una característica, una característica irrefutable, que absolutamente y únicamente nos dice que lo que estamos viendo son rayos gamma procedentes de protones acelerados».

Stefan Westerhoff, de la Universidad de Wisconsin-Madison, que no participó en el trabajo, dice que «Se ha sospechado durante mucho tiempo que esos remanentes de supernova son los sitios de aceleración de los rayos cósmicos, y no ha habido evidencia indirecta de esto por un rato.» El resultado del Fermi «es una medición muy ordenada y es probable que más o menos resuelva la cuestión», dijo.

El hallazgo no explica el origen de todos los rayos cósmicos, sin embargo. Algunos son los muones o positrones en lugar de protones… y una clase, los rayos cósmicos de ultra-alta energía, son probablemente de fuera de nuestra galaxia.

Fuente: New Scientist. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Revelada la agonía mortal de una supernova

En imágenes de archivo, los astrónomos encontraron la actividad en las últimas semanas antes de la explosión de una estrella gigante

Justo antes de que una estrella gigante estallase en una espectacular explosión de supernova, dio pistas a su inminente desaparición. La actividad previa a la explosión de la estrella y detallada en Internet en la revista Nature el 6 febrero, podría permitir a los astrónomos predecir la llegada al estado de supernova de una estrella y luego verla en tiempo real.

«Es un estudio muy interesante», dice Jon Mauerhan, astrónomo de la Universidad de Arizona, que no participó en la investigación. Los astrónomos sólo en raras ocasiones fueron testigo de la actividad de una estrella masiva antes de su explosión, añadió.

La estrella despertó la atención de los astrónomos en agosto de 2010 gracias a un programa informático. El programa escanea imágenes del rastreo del cielo de un telescopio de 48 pulgadas en el Observatorio Palomar en California del Sur y señala las regiones que muestran un aumento repentino de brillo, lo cual los astrónomos toman como signos potenciales de supernovas. Los investigadores dieron con un incremento de brillo de este tipo a 500 millones de años luz de distancia, y confirmaron que se trataba de una supernova de tipo II, la explosión de una estrella masiva cuyo núcleo se queda sin combustible y se colapsa. Luego observaron las imágenes de la misma estrella durante las semanas y meses anteriores para ver si la estrella mostraba señales de que estaba a punto de estallar.

Efectivamente, vieron un leve brillo en la estrella predestinada a 37 días antes de su muerte. Los científicos calculan, a partir de la luminosidad de la estrella, que ésta envió hacia el espacio una cáscara de gas equivalente a alrededor de una centésima de la masa del Sol a una velocidad a unos 2.000 kilómetros por segundo.

«La estrella estaba dando un pequeño eructo», dijo Alex Filippenko, un astrónomo de la Universidad de California, Berkeley, quien formó parte del equipo que realizó el descubrimiento. Cuando la estrella finalmente explotó, expulsó material que se extendió con tanta rapidez que le tomó apenas tres semanas superar el estallido anterior.

No es de extrañar que las estrellas arrojen masa antes de explotar, dijo Filippenko, pero esta es la primera vez que los astrónomos han descubierto una expulsión tan poco tiempo antes de la desaparición de una estrella. El marco temporal tan ajustado le indicó al equipo que estos eructos cósmicos tienen una probabilidad más de 100 veces mayores de ocurrir justo antes de una explosión de supernova que en cualquier otro momento de la vida de una estrella.

Según Filippenko, los astrónomos podrían utilizar esta correlación poniéndose a la caza de otros eructos y lograr algo deseado por mucho tiempo, pero nunca consumado: Predecir una supernova inminente y observar lo que ocurre. «Este tipo de proyección puede ser el indicador luminoso de una explosión final que está a punto de suceder», dice.

Un trabajo adicional ayudará a los científicos distinguir entre estas expulsiones que son anteriores a las supernovas y otras erupciones más rutinarias. Otras estrellas masivas han eructado material en el espacio y sobrevivieron. El ejemplo más famoso es Eta Carinae, una estrella ubicada a 7.500 años luz de la Tierra que, por un breve tiempo a mediados de 1800, lanzó al espacio una capa de gas con 10 veces la masa del Sol y se convirtió en la segunda estrella más brillante en el cielo nocturno. Desde entonces se ha calmado, y los astrónomos no tienen idea de si va a explotar en 100 días o 100.000 años.

Por cierto, los astrónomos tienen las herramientas para explorar estas preguntas. Los rastreos automatizados del cielo, como el proyecto Palomar, se han extendido por todo el mundo, y para finales de la década el Gran Telescopio de 8,4 metros para Rastreos Sinópticos en Chile escaneará el cielo entero cada pocas noches con sus 3.200 megapíxeles. El telescopio chileno, dice Mauerhan, «va a encontrar un montón de estas cosas. Es un momento emocionante para la ciencia de las supernovas».

Fuente: Science News. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Un púlsar fija récord de velocidad: 9,6 millones de km por hora

Es posible que el observatorio Chandra de rayos X de la NASA, el telescopio XMM-Newton de la ESA y el radiotelescopio Parkes de Australia hayan divisado el púlsar con el movimiento más rápido que se haya visto hasta ahora

La evidencia potencial de esta velocidad sin precedentes proviene, en parte, de los rasgos resaltados en la imagen compuesta que sigue a continuación. Se han combinado las observaciones de rayos-X del Chandra (verde) y el XMM-Newton (violeta) con los datos infrarrojos del proyecto 2MASS y los datos ópticos del Digitized Sky Survey (de color rojo, verde y azul, que aparecen en la imagen en blanco).

La gran área difusa de rayos X observada por el XMM-Newton se produce cuando una estrella masiva ha explotado como supernova, dejando tras de sí un campo de restos (remanente de supernova), que se conoce como SNR MSH 11-16A (imagen en la parte superior de la página). Las ondas de choques de la supernova han calentado el gas de alrededor a varios millones de grados Kelvin, causando que el remanente brille intensamente en rayos-X. La imagen del Chandra que se muestra en el recuadro («X-ray close-up», o «primer plano de rayos X») revela una fuente de rayos X en forma de cometa bien fuera de los límites de los restos de supernova. Esta fuente está formada por un objeto puntual con una larga cola por detrás que se extiende unos 3 años luz. Es muy probable que la brillante estrella cercana, y también la que se ve dentro de SNR MSH11-16A, sean estrellas ubicadas adelante (más cerca de nosotros), no relacionados con el remanente de supernova.

La fuente puntual de rayos X fue descubierta por el Laboratorio Internacional de Astrofísica de Rayos Gamma, o INTEGRAL (International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory), y se llama IGR J11014-6103 (o IGR J11014, para abreviar). Puede ser una estrella súper-densa que gira rápidamente —un «púlsar», que es un tipo de estrella de neutrones— que fue expulsada durante la explosión. Si es así, se ha alejado del centro de la remanente a millones de kilómetros por hora.

La interpretación más aceptada de la cola que muestra el punto emisor de rayos X es que una nebulosa del viento del púlsar, es decir, un «viento» de partículas de alta energía producidas por el púlsar, que ha sido barrida por un frente de choque creado por la alta velocidad del púlsar. (Un caso similar se observó en otro objeto, conocido como PSR B1957 +20).

La alargada emisión está apuntando hacia el centro de MSH 11-61A, donde se ha formado el púlsar, respaldando la idea de que la imagen de Chandra es una nebulosa de viento de púlsar y su arco de choque. Otro rasgo interesante de la imagen del Chandra, que también se observa con el XMM-Newton, es la débil cola de rayos X que se extiende hacia la parte superior derecha. Se desconoce qué causa esta forma, pero se han observado colas similares en otros púlsares que tampoco se alinean con la dirección del movimiento del púlsar.

Basándose en las observaciones anteriores, los astrónomos estiman que la edad de MSH 11-16A es de aproximadamente 15.000 años, y que se encuentra a una distancia de unos 30.000 años luz de distancia de la Tierra. Combinando estos valores con la distancia que parece haberse movido el púlsar desde el centro de la MSH 11-61A, los astrónomos estiman que IGR J11014 se está moviendo a una velocidad de entre 8,6 y 10 millones de kilómetros por hora.

La única estrella de neutrones relacionada con un remanente de supernova que podría rivalizar con esta velocidad es la candidata que se encuentra en el resto de supernova conocido como G350.1-0.3. Se estima que la velocidad de la candidata a estrella de neutrones en este sistema se encuentran entre 4,8 y 9,6 millones de kilómetros por hora.

Las altas velocidades estimadas para ambas, IGR J11014 y la candidata a estrella de neutrones en G350.1-0.3, son preliminares, y deben ser confirmadas. Si se confirman, explicar las altas velocidades de estas estrellas de neutrones presenta un grave problema para los modelos existentes para las explosiones de supernovas.

Es importante advertir que en la conclusión de que IGR J11014 puede ser el púlsar en movimiento más rápido es que no se han detectado pulsaciones en él durante una búsqueda con el radiotelescopio Parkes de la Organización Científica e Investigación Industrial (CSIRO). Esta falta de detección es no sorprendente en un púlsar que está situado a unos 30.000 años luz de distancia.

Sin embargo, hay otros elementos de prueba que respaldan la interpretación de que es un púlsar. En primer lugar, la falta de detección de una imagen óptica o de infrarrojos de la fuente de rayos X es compatible con la idea de que se trata de un púlsar, ya que la emisión de estos objetos son muy tenues a estas longitudes de onda. Además, parece no haber diferencias en el brillo de la fuente entre las observaciones de XMM-Newton en 2003 y las observaciones de Chandra en 2011, comportamiento que es esperable si IGR J11014 es un púlsar. Por último, el espectro de rayos X de la fuente, es decir, su señal energética, es similar a lo que los astrónomos esperan ver en un púlsar.

Fuente: The Daily Galaxy. Aportado por Eduardo J. Carletti

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