Todos los días, pedazos minúsculos de materia que viajan casi a la velocidad de la luz chocan con la atmósfera terrestre, se descomponen en otras partículas secundarias y “llueven” sobre el planeta. Denominados rayos cósmicos, su origen, aceleración y propagación dentro de nuestra galaxia constituye una de las preguntas más acuciantes en física de astropartículas a día de hoy. Un trabajo, encabezado por el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) que se publica en Nature Astronomy, analiza el papel que los púlsares, estrellas de neutrones de muy rápida rotación, pueden desempeñar en nuestra comprensión de cómo se desplazan los rayos cósmicos en la Vía Láctea.

Los rayos cósmicos son mayormente núcleos de átomos, sobre todo de hidrógeno, pero también electrones y otras partículas subatómicas que pueden proceder del Sol, de distintas fuentes dentro de la Vía Láctea o incluso de otras galaxias. Al estar eléctricamente cargados son desviados, a modo de virutas de metal pululando por un espacio salpicado de imanes, por los diversos campos magnéticos existentes en nuestra galaxia. Así, su recorrido varía tanto que resulta imposible reconstruir su trayectoria o determinar su origen.

Cascada de rayos cósmicos.

Cascada de rayos cósmicos.

“Los púlsares han jugado un papel esencial en el desarrollo de diversas áreas de la astrofísica, y por ejemplo el púlsar del Cangrejo constituye el acelerador de partículas mejor conocido fuera de nuestro Sistema Solar –apunta Rubén López-Coto, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y del Instituto Nacional de Física Nuclear (Padua, INFN) que encabeza el trabajo–. Pero hace apenas cinco años pudimos comprobar que estos objetos se hallan rodeados de un halo de rayos gamma que puede ayudarnos a comprender cómo se desplazan los rayos cósmicos”.

Los púlsares son un tipo de estrella de neutrones, objetos de apenas veinte kilómetros de diámetro que resultan de la muerte de una estrella muy masiva (de entre ocho y quince veces la masa del Sol): la estrella expulsa su envoltura en una explosión de supernova, el núcleo permanece convertido en una estrella de neutrones y la envoltura formará una estructura, el remanente de supernova, que irá expandiéndose. Los púlsares destacan por su rápida rotación, de hasta cientos de veces por segundo, y porque emiten desde ambos polos un haz de luz que, al igual que un faro, atraviesa regularmente nuestra línea de visión.

“Los púlsares, al girar, pierden energía de rotación a través de un viento de electrones y positrones que se crea, acelera y emana de su magnetosfera –o región en la que las partículas se ven afectadas por el campo magético del púlsar–. Este viento escapa y, cuando se encuentra con el remanente de supernova, interacciona con él; las partículas se aceleran aún más y forman lo que conocemos como nebulosa de viento del púlsar o plerión”, señala Emma de Oña Wilhelmi, investigadora del DESY (Alemania) que participa en el trabajo.

Los pleriones muestran distintos estadios dependiendo de la edad del púlsar. En los púlsares jóvenes, con menos diez mil años, se observa una estructura simétrica de esferas concéntricas: el viento se halla muy comprimido dentro del remanente de supernova, los electrones pierden su energía dentro de él y no escapan. Con el paso del tiempo el remanente se expande, deja de comprimir el viento y se dibuja una estructura más irregular, dentro de la que las partículas siguen no obstante confinadas. Pero a partir de los cien mil años los electrones y positrones ya comienzan a escapar del plerión y se propagan libremente por el medio interestelar.

“Hasta 2017 no se conocía bien qué ocurría con los pleriones de estos púlsares viejos. El estudio de dos de ellos mostró una emisión muy extensa y energética, el halo de rayos gamma de los púlsares, que se produciría por el choque de los electrones y positrones acelerados con la luz de otras fuentes, cuya energía asciende hasta los teraelectronvoltios. Vimos así que las partículas procedentes de la magnetosfera de los púlsares se inyectan en el medio y se propagan formando parte de lo que se conoce como rayos cósmicos galácticos”, apunta Rubén López-Coto (IAA-CSIC).

El púlsar Geminga, en óptico (de fondo), rayos gamma (izda) y rayos X e infrarrojo (dcha).Este estudio mostró, dado el tamaño del halo de uno de los púlsares, que los positrones que emergen de su halo raramente llegan a la Tierra, y que el exceso de positrones que se detecta y que se había atribuido a los púlsares debe proceder de fuentes más exóticas. Además, reveló que la velocidad de difusión de estas partículas, que debería de ser la misma que se infiere para los rayos cósmicos dentro de la galaxia, era unas cien veces inferior a esta. “Los halos de rayos gamma de los púlsares adoptan así un lugar destacado para el estudio de la propagación de los rayos cósmicos, y un excitante nuevo campo de estudio en torno a los púlsares en el que aún quedan preguntas abiertas”, concluye Rubén López-Coto (IAA-CSIC / INFN).

Referencia bibliográfica: 

R. López-Coto et al. «Gamma-ray halos around pulsars as the key to understanding cosmic-ray transport in the Galaxy». Nature Astronomy, 14 Feb 2022.