Nuevas ideas sobre la aceleración de rayos cósmicos

Durante muchos años, los científicos han intentado descubrir de dónde vienen los Rayos Cósmicos y cómo obtienen su energía. Los rayos cósmicos son partículas de alta energía que provienen del espacio exterior y chocan contra la Tierra. A pesar de mucha investigación, los orígenes exactos y las formas en que estos rayos son acelerados aún no se comprenden del todo.

En 1949, un científico llamado Fermi sugirió un método llamado Aceleración por choque difusivo para explicar cómo estos rayos cósmicos ganan energía. Sin embargo, ha sido difícil encontrar evidencia sólida que respalde esta idea. Estudios recientes han mostrado que los rayos cósmicos de mayor energía podrían provenir de núcleos galácticos activos, que son galaxias con agujeros negros supermasivos en sus centros, y de explosiones de Rayos Gamma. Otras fuentes potenciales dentro de nuestra propia galaxia incluyen eventos como Supernovas, pulsares y restos de explosiones de supernovas.

Los rayos cósmicos pueden crearse cuando partículas pesadas se descomponen, o pueden ganar energía en lugares donde hay campos magnéticos fuertes. Hay dos mecanismos principales que los científicos creen que pueden explicar cómo se aceleran los rayos cósmicos: aceleración difusiva y aceleración inductiva. El primer tipo, aceleración difusiva, incluye los procesos de Fermi que ocurren cuando las partículas rebotan en 'espejos magnéticos' en movimiento, que son nubes de energía magnética en el espacio. Cuando estos espejos se mueven en la misma dirección que las partículas, las partículas ganan energía. Si los espejos se mueven en la dirección opuesta, las partículas pierden energía. La idea es que las partículas en el espacio tendrán más posibilidades de ganar energía en promedio, gracias a estos espejos.

Este método conduce a un patrón específico de distribución de energía; sin embargo, tiene sus desventajas. Las velocidades de muchas nubes interestelares son muy bajas en comparación con la velocidad de la luz, lo que significa que las partículas solo chocarían unas pocas veces en un año, lo que llevaría a un pequeño aumento en su energía. Como resultado, los científicos han propuesto otro método, llamado aceleración por choque difusivo, que funciona con fuertes ondas de choque producidas en el espacio, como las de explosiones de supernovas.

Los restos de supernovas, que son los materiales sobrantes de estas explosiones, se piensa que crean ondas de choque que pueden acelerar protones, un tipo de partícula que se encuentra en los rayos cósmicos. Cuando ocurre una supernova, crea una capa de material que se mueve rápidamente a través del espacio, mucho más rápido que las ondas sonoras. Este material de rápido movimiento crea ondas de choque que empujan a través del espacio circundante, y estas ondas de choque están asociadas con campos magnéticos turbulentos.

Las partículas, como los protones, pueden rebotar de un lado a otro entre estos campos magnéticos, atravesando la frente de choque varias veces y ganando energía con cada encuentro. Eventualmente, ganan suficiente energía para escapar de estos campos magnéticos y convertirse en rayos cósmicos de alta energía.

Estudios recientes utilizando rayos gamma, que son fotones de alta energía, están poniendo a prueba nuestra comprensión de cómo las partículas se aceleran durante estos eventos de alta energía. Sin embargo, aún quedan algunos desafíos a energías más altas. Por ejemplo, los científicos están tratando de explicar por qué el espectro de rayos cósmicos continúa de manera suave más allá de ciertos puntos, por qué algunos restos de supernovas muestran un nivel muy bajo de emisiones de rayos gamma, y por qué los rayos cósmicos muestran poca preferencia direccional.

Para estudiar más los rayos cósmicos, los investigadores se han centrado en el ciclo de actividad del Sol, que tiene un ciclo de 11 años. Este ciclo afecta cómo los rayos cósmicos interactúan con la heliosfera, el área alrededor del Sol llena de Viento Solar. Cuando el Sol está muy activo, ocurren grandes explosiones de energía y campos magnéticos llamados eyecciones de masa coronal (CME). Estas erupciones crean ondas de choque mientras se mueven a través del viento solar, lo que puede acelerar los rayos cósmicos.

Durante el pico de actividad solar, el Sol puede liberar varios CME cada día, mientras que ocurren menos durante momentos más tranquilos. Mediciones de naves espaciales muestran que la velocidad de estos CME puede alcanzar hasta 2,000 kilómetros por segundo. A medida que estas ondas de choque viajan, crean condiciones en la heliosfera que pueden ayudar a los rayos cósmicos a ganar energía.

Al estudiar las diferencias en los datos de rayos cósmicos en varios puntos del ciclo de actividad solar, los investigadores pueden entender mejor cómo los rayos cósmicos ganan energía. Por ejemplo, durante la fase de máximo solar, el número de rayos cósmicos detectados es generalmente más bajo que durante la fase de mínimo solar debido a interacciones aumentadas con campos magnéticos más fuertes. Esto significa que los rayos cósmicos se dispersan más y pierden energía, lo que lleva a variaciones en el conteo de rayos cósmicos observados.

Los investigadores recopilaron varios datos durante diferentes fases del ciclo solar. Notaron que los conteos de rayos cósmicos eran generalmente más altos durante los períodos de mínimo solar, lo que sugería que el entorno era menos caótico, permitiendo que los rayos cósmicos viajaran más libremente. En contraste, durante las fases activas del ciclo solar, los conteos de rayos cósmicos cayeron debido a la complejidad aumentada de los campos magnéticos.

Al observar los conteos de rayos cósmicos detectados durante estas diferentes fases, los científicos comenzaron a formar una imagen más clara de cómo ganan o pierden energía los rayos cósmicos. Se asumió que el rápido rebote en las estructuras de choque en la heliosfera durante las fases de máximo solar era responsable del aumento en la ganancia de energía, incluso si esa energía provenía de rayos cósmicos de menor energía.

El equipo examinó datos recolectados por un instrumento específico a bordo de una nave espacial, que medía el flujo de rayos cósmicos, o el número de rayos cósmicos que golpeaban la nave. El análisis mostró patrones y relaciones prometedoras entre los niveles de energía de los rayos cósmicos y sus conteos observados.

Los científicos encontraron que a medida que aumentaban los niveles de energía de los rayos cósmicos, también aumentaban los conteos detectados por la nave espacial. Esta correlación indicó que los rayos cósmicos podrían estar ganando energía al interactuar con las ondas de choque creadas por la actividad solar. Al estudiar estos patrones, el equipo pudo estimar las velocidades relativas de los choques solares y obtener información sobre el comportamiento de los rayos cósmicos en la heliosfera.

Además, los investigadores también combinaron sus hallazgos con datos de otro instrumento para confirmar sus resultados. Compararon los niveles de energía de los rayos cósmicos y las velocidades observadas de los vientos solares y las ondas de choque creadas por los CME. Los resultados coincidieron bien, sugiriendo que su comprensión de la aceleración de rayos cósmicos estaba en la dirección correcta.

La teoría de aceleración por choque difusivo proporciona una forma de estimar cuánta energía ganan los rayos cósmicos durante estas interacciones. Los investigadores siguieron métodos establecidos para calcular la energía potencial a partir de parámetros específicos, confirmando la viabilidad del proceso.

En resumen, los hallazgos sugieren que los rayos cósmicos pueden ganar energía a través de mecanismos vinculados al modelo de choque difusivo. Este modelo puede aplicarse no solo a los restos de supernovas, sino también a eventos del Sol. Los resultados mostraron que las variaciones observadas en el flujo de rayos cósmicos pueden explicarse por este proceso de ganancia de energía, y que los rayos cósmicos pierden energía mientras viajan a través de la heliosfera, afectando lo que se observa en la Tierra.

Entender los rayos cósmicos, sus fuentes y sus procesos de aceleración es una parte clave de la astrofísica, ayudando a desentrañar los misterios de nuestro universo.