¿Cómo se genera y se distribuye la materia en el universo?

EP | 21/06/2021

Ubicación del instrumento CALET en la Estación Espacial - NASA, JAXA, ASI)

Los rayos cósmicos de carbono, oxígeno e hidrógeno viajan a través de la galaxia hacia la Tierra de manera similar, pero, sorprendentemente, no ocurre lo mismo en el caso del hierro.

Es lo que sugieren nuevos hallazgos publicados en Physical Review Letters, obtenidos con un instrumento en la Estación Espacial Internacional (ISS) llamado Telescopio Electrónico Calorimétrico (CALET) que ha estado recopilando datos sobre rayos cósmicos desde 2015.

Aprender más sobre cómo se mueven los rayos cósmicos a través de la galaxia ayuda a abordar una pregunta fundamental y persistente en astrofísica: ¿cómo se genera y distribuye la materia en el universo?

"Entonces, ¿qué significa este hallazgo?" pregunta John Krizmanic, científico senior del Centro de Ciencia y Tecnología Espaciales (CSST) de la UMBC (University of Maryland Baltimore County). "Estos son indicadores de que está sucediendo algo interesante. Y qué es ese algo interesante que vamos a tener que ver".

Los rayos cósmicos son núcleos atómicos, átomos despojados de sus electrones, que se mueven constantemente por el espacio casi a la velocidad de la luz. Entran en la atmósfera de la Tierra a energías extremadamente altas. La información sobre estos rayos cósmicos puede dar a los científicos pistas sobre su procedencia en la galaxia y qué tipo de evento los generó.

Los rayos cósmicos llegan a la Tierra desde otras partes de la galaxia con una amplia gama de energías, desde mil millones de voltios hasta 100 mil millones de millones de voltios. El instrumento CALET es uno de los pocos en el espacio que puede ofrecer detalles finos sobre los rayos cósmicos que detecta. Un gráfico llamado espectro de rayos cósmicos muestra cuántos rayos cósmicos llegan al detector en cada nivel de energía. Los espectros de los rayos cósmicos de carbono, oxígeno e hidrógeno son muy similares, pero el hallazgo clave del nuevo artículo es que el espectro del hierro es significativamente diferente.

Hay varias posibilidades para explicar las diferencias entre el hierro y los tres elementos más ligeros. Los rayos cósmicos podrían acelerar y viajar a través de la galaxia de manera diferente, aunque los científicos generalmente creen que entienden esto último, dice Krizmanic.

"Algo que debe enfatizarse es que la forma en que los elementos llegan de las fuentes a nosotros es diferente, pero puede ser que las fuentes también sean diferentes", agrega Michael Cherry, profesor emérito de física en la Universidad Estatal de Louisiana (LSU) y coautor del nuevo artículo. Los científicos generalmente creen que los rayos cósmicos se originan en la explosión de estrellas (supernovas), pero las estrellas de neutrones o estrellas muy masivas podrían ser otras fuentes potenciales.

Un instrumento como CALET es importante para responder preguntas sobre cómo se aceleran y viajan los rayos cósmicos, y de dónde provienen. Los instrumentos en el suelo o los globos que volaban a gran altura en la atmósfera terrestre fueron la principal fuente de datos de rayos cósmicos en el pasado. Pero cuando los rayos cósmicos llegan a esos instrumentos, ya han interactuado con la atmósfera de la Tierra y se han descompuesto en partículas secundarias. Con los instrumentos basados en la Tierra, es casi imposible identificar con precisión cuántos rayos cósmicos primarios y qué elementos están llegando, además de sus energías. Pero CALET, al estar por encima de la atmósfera, puede medir las partículas directamente y distinguir elementos individuales con precisión.

El hierro es un elemento particularmente útil para analizar, explica el coautor Nick Cannady, un postdoctorado en CSST y ex Ph.D. estudiante con Cherry en LSU. En su camino a la Tierra, los rayos cósmicos pueden descomponerse en partículas secundarias y puede ser difícil distinguir entre partículas originales expulsadas de una fuente (como una supernova) y partículas secundarias. Eso complica las deducciones sobre el origen de las partículas.

"A medida que las cosas interactúen en su camino hacia nosotros, básicamente obtendrá conversiones de un elemento a otro", dice Cannady. "El hierro es único, ya que es una de las cosas más pesadas que se pueden sintetizar en la evolución estelar regular, estamos bastante seguros de que son prácticamente todos los rayos cósmicos primarios. Es el único rayo cósmico primario puro, donde con otros ' también habrá algunos componentes secundarios ".

La medición de los rayos cósmicos brinda a los científicos una visión única de los procesos de alta energía que ocurren muy, muy lejos. Los rayos cósmicos que llegan a CALET representan "la materia de la que estamos hechos. Estamos hechos de polvo de estrellas", dice Cherry. "Y las fuentes energéticas, cosas como las supernovas, expulsan ese material de su interior, hacia la galaxia, donde se distribuye, forma nuevos planetas, sistemas solares y ... nosotros".

"El estudio de los rayos cósmicos es el estudio de cómo el universo genera y distribuye la materia, y cómo eso afecta la evolución de la galaxia", agrega Krizmanic. "Así que realmente está estudiando la astrofísica de este motor que llamamos la Vía Láctea que está lanzando todos estos elementos".

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