Los núcleos atómicos más pesados que el hierro podrían explicar el origen de Amaterasu, una de las partículas más energéticas jamás detectadas, según un estudio que plantea que este tipo de rayos cósmicos sobreviven mejor el viaje por el espacio intergaláctico que los protones y otros núcleos de menor masa.

Una partícula récord detectada en Utah

En mayo de 2021, un detector del Telescope Array, en Utah, registró el impacto de una partícula con una energía de 244 exa-electronvoltios. Se trata de una de las energías más altas medidas hasta ahora para un rayo cósmico individual, comparable a la de la legendaria partícula Oh-My-God, observada en 1991.

Los científicos bautizaron a esta partícula como Amaterasu, en honor a la diosa del sol de la mitología japonesa. Los rayos cósmicos de alta energía están formados por partículas subatómicas cargadas, sobre todo protones y núcleos atómicos, que viajan casi a la velocidad de la luz. Proceden de fenómenos extremos como supernovas, agujeros negros y galaxias activas, y cuando chocan con la atmósfera terrestre generan una cascada de partículas secundarias.

El mayor enigma en este caso no fue solo su energía excepcional, sino también la dirección desde la que llegó. Su trayectoria apuntaba hacia el Vacío Local, una región casi vacía del espacio cercana a la Vía Láctea, sin una fuente astrofísica evidente capaz de producir una partícula de esa potencia. El origen de los rayos cósmicos de energía ultraalta lleva más de 60 años sin resolverse y Amaterasu volvió a poner el problema sobre la mesa.

Qué muestran las simulaciones

El equipo encabezado por Murase abordó la cuestión desde otro ángulo: en lugar de buscar primero la fuente, analizó qué tipo de partícula podría sobrevivir el trayecto hasta la Tierra. Para ello realizó simulaciones computacionales sobre cómo distintas masas, desde protones hasta núcleos atómicos pesados con docenas de protones y neutrones, pierden energía al cruzar distancias intergalácticas e interactuar con la luz de fondo cósmica y otros campos de radiación.

Los resultados indican que, a energías comparables a las de Amaterasu, los núcleos ultrapesados, es decir, más pesados que el hierro, pierden energía mucho más lentamente que los protones o los núcleos de masa intermedia. Esa característica les permitiría recorrer mayores distancias cósmicas y llegar a la Tierra conservando energías extremas.

Murase señaló que la investigación mostró que, a energías similares a las de Amaterasu, estos núcleos ultrapesados pierden energía más despacio que los protones o los núcleos de masa intermedia, lo que mejora su capacidad para sobrevivir viajes intergalácticos largos.

Posibles fuentes y próximos pasos

El equipo no sostiene que todos los rayos cósmicos de energía ultraalta sean núcleos ultrapesados, sino que, si una fracción significativa lo fuera, eso tendría que reflejarse en futuras mediciones de composición a las energías más extremas.

Entre las fuentes más prometedoras para producir y acelerar núcleos ultrapesados figuran las muertes de estrellas masivas que colapsan en agujeros negros, las estrellas de neutrones fuertemente magnetizadas, conocidas como magnetares, y las fusiones de estrellas de neutrones binarias, también asociadas a potentes emisiones de ondas gravitacionales.

Observatorios de próxima generación, como el propuesto AugerPrime, en Argentina, y el propuesto Global Cosmic Ray Observatory, podrían buscar las firmas que anticipa este modelo. Si los núcleos ultrapesados contribuyen de forma importante a las energías más altas, los datos deberían mostrar una composición más pesada que el hierro en ese rango.

Murase también indicó que este trabajo podría ayudar a explicar una posible diferencia observada entre el cielo norte y el cielo sur en el espectro de rayos cósmicos de energía ultraalta, otro de los enigmas pendientes en la astrofísica de partículas.

El papel del Telescope Array

El Telescope Array, responsable de la detección de Amaterasu en 2021, es un conjunto de más de 500 detectores de superficie distribuidos sobre 700 kilómetros cuadrados de desierto. Su función es registrar las cascadas de partículas secundarias que se producen cuando un rayo cósmico de energía ultraalta impacta contra la atmósfera terrestre.

Determinar la masa del núcleo original a partir de esa cascada es uno de los retos más difíciles de la física de rayos cósmicos, porque el proceso depende de varios factores complejos y la estadística disponible es limitada. Partículas con la energía de Amaterasu llegan a la Tierra con una frecuencia aproximada de una por kilómetro cuadrado por siglo.

AugerPrime, una actualización del Observatorio Pierre Auger, incorporará detectores de centelleo a la red ya existente de detectores de agua Cherenkov, con el objetivo de mejorar de forma significativa la capacidad para determinar la composición de masa de los rayos cósmicos detectados.

Por su parte, el propuesto Global Cosmic Ray Observatory combinaría detectores terrestres con observaciones desde satélites para ampliar mucho más el área de cobertura, aumentar la tasa de detección de eventos extremos y reunir la estadística necesaria para comprobar si los núcleos ultrapesados explican una parte relevante de los rayos cósmicos más energéticos jamás registrados.