LHAASO desentraña el misterio de la formación de la 'rodilla' de los rayos cósmicos: investigadores chinos identifican los agujeros negros como la fuente probable del componente de alta energía de la 'rodilla' de los rayos cósmicos.

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Los resultados históricos publicados hoy, 16 de noviembre, por el Large High Altitude Air Shower Observatory Observatorio de Grandes Lluvias Atmosféricas de Gran Altitud (LHAASO) han resuelto un misterio de décadas sobre el espectro de energía de los rayos cósmicos, que muestra una fuerte disminución de los rayos cósmicos por encima de los 3 PeV, lo que le da una inusual forma de rodilla.

Las instalaciones del Experimento LHAASO. (Crédito: Colaboración LHAASO)

Qué causa la forma de la “rodilla” sigue sin estar clara desde su descubrimiento hace casi 70 años. Los científicos han especulado que está relacionado con el límite de aceleración de las fuentes astrofísicas de rayos cósmicos y que refleja la transición del espectro energético de los rayos cósmicos de una distribución de ley de potencia a otra.

*Ahora bien, dos estudios recientes —publicados en National Science Review y Science Bulletin, respectivamente— demuestran que los microcuásares impulsados por la acreción de sistemas de agujeros negros son potentes aceleradores de partículas en la Vía Láctea y son la fuente probable de la “rodilla”. Los estudios también amplían nuestra comprensión de los procesos físicos extremos de los sistemas de agujeros negros.

La investigación fue realizada por investigadores del Instituto de Física de Altas Energías de la Academia China de Ciencias (CAS), la Universidad de Nanjing, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China dependiente de la CAS, la Universidad La Sapienza de Roma, entre otras instituciones.

Los agujeros negros, uno de los objetos más enigmáticos del universo, generan chorros relativistas al acrecer material de estrellas compañeras en sistemas binarios, formando “microcuásares”. En este estudio, LHAASO detectó sistemáticamente por primera vez rayos gamma de ultra alta energía procedentes de cinco microcuásares: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 y Cygnus X-1.

En particular, se descubrió que la radiación de ultra alta energía de SS 433 se superponía con una nube atómica gigante, lo que sugiere fuertemente que los protones de alta energía son acelerados por el agujero negro y colisionan con la materia circundante. La energía de los protones en este sistema superó 1 PeV, con una potencia total de aproximadamente 10³² julios por segundo, equivalente a la energía liberada por segundo por cuatro billones de las bombas de hidrógeno más potentes. Se descubrió que la energía de los rayos gamma de V4641 Sgr alcanzó los 0,8 PeV, convirtiéndolo en otro “superacelerador de partículas PeV”, mientras que las partículas precursoras que generan estos rayos gamma tenían energías superiores a 10 PeV.

Estos resultados demuestran que los microcuásares son importantes aceleradores de partículas de PeV en la Vía Láctea, lo que resuelve un problema de larga data en la ciencia: si bien los restos de supernovas fueron históricamente reconocidos como fuentes de rayos cósmicos, tanto los estudios observacionales como los teóricos han demostrado que no pueden acelerar los rayos cósmicos a las energías de la “rodilla” y más allá.

Para comprender plenamente este fenómeno, es esencial realizar mediciones precisas de los espectros de energía de las diversas especies de rayos cósmicos, incluyendo sus respectivas regiones de máxima energía. El primer paso consiste en medir el espectro de energía de los núcleos más ligeros: los protones. Sin embargo, los rayos cósmicos en la región de máxima energía son escasos y los detectores satelitales tienen una sensibilidad limitada, lo que hace que su detección sea como buscar una aguja en un pajar. En las mediciones indirectas de partículas de rayos cósmicos desde tierra, es imposible evitar la interferencia atmosférica. Esto dificulta la distinción entre protones y otros núcleos. Durante mucho tiempo, esta medición se consideró imposible.

En este estudio, aprovechando su equipo de observación de rayos cósmicos terrestre líder en el mundo, LHAASO desarrolló técnicas de medición multiparamétricas y seleccionó una gran muestra estadística de protones de alta pureza, lo que permitió una medición precisa de su espectro energético, con una precisión comparable a la de los experimentos satelitales. Esta medición reveló una estructura espectral de energía totalmente inesperada, que mostraba claramente un nuevo “componente de alta energía” en lugar de una simple transición entre espectros de ley de potencia.

Los nuevos hallazgos de LHAASO, junto con la componente de baja energía medida por el experimento espacial AMS-02 y la componente de energía intermedia medida por el experimento espacial DAMPE (Explorador de Partículas de Materia Oscura), revelaron la existencia de múltiples aceleradores dentro de la Vía Láctea, cada uno con su propia capacidad de aceleración y rango de energía. El punto de inflexión representa el límite de aceleración de las fuentes responsables de generar la componente de alta energía.

La compleja estructura del espectro energético de los protones indica que los protones de los rayos cósmicos en el rango de energía de PeV provienen principalmente de «fuentes nuevas», como los microcuásares, cuyo límite de aceleración es significativamente mayor que el de los restos de supernovas. Esto les permite generar rayos cósmicos de alta energía que superan el «codo».

Estos dos descubrimientos se complementan, ofreciendo una visión científica integral. Esto no solo representa un avance significativo en la resolución del antiguo misterio del origen de la anomalía de la rodilla, sino que también proporciona evidencia observacional crucial para comprender el papel de los agujeros negros en el origen de los rayos cósmicos.

El diseño híbrido del detector LHAASO permite la detección de fuentes de rayos cósmicos mediante rayos gamma de ultra alta energía, a la vez que posibilita la medición precisa de partículas de rayos cósmicos en las proximidades del sistema solar. Este enfoque ofrece información sobre la capacidad de aceleración de fuentes con energías de PeV y las características espectrales que aportan a los rayos cósmicos. Por primera vez, la estructura en forma de rodilla se ha vinculado observacionalmente a un tipo específico de fuente astrofísica: el sistema de chorros de agujeros negros.

LHAASO, diseñado, construido y operado por científicos chinos, se ha convertido en un referente en la investigación de rayos cósmicos de alta energía gracias a su sensibilidad tanto en la exploración astronómica de rayos gamma como en la medición precisa de rayos cósmicos. Ha logrado una serie de descubrimientos con impacto global, contribuyendo así a nuestro conocimiento de los procesos físicos extremos del universo.

Espectro energético de protones de rayos cósmicos medido por LHAASO en la región de la rodilla (puntos rojos), junto con la componente de baja energía medida por el experimento espacial AMS-02 (cuadrados negros) y la componente de energía intermedia medida por el experimento espacial DAMPE (cuadrados azules). (Crédito: Colaboración LHAASO)

Cita
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El estudio Precise measurements of the cosmic ray proton energy spectrum in the “knee” region (Mediciones precisas del espectro energético de los protones de los rayos cósmicos en la región de la “rodilla”.) de la Colaboración LHAASO fue publicada en Science Direct. Autores de la Colaboración LHAASO: Zhen Cao, F. Aharonian, Y.X. Bai, Y.W. Bao, D. Bastieri, X.J. Bi, Y.J. Bi, W. Bian, A.V. Bukevich, C.M. Cai, W.Y. Cao, Zhe Cao, J. Chang, J.F. Chang, A.M. Chen, E.S. Chen, G.H. Chen, H.X. Chen, Liang Chen, Long Chen, M.J. Chen, M.L. Chen, Q.H. Chen, S. Chen, S.H. Chen, S.Z. Chen, T.L. Chen, X.B. Chen, X.J. Chen, Y. Chen, N. Cheng, Y.D. Cheng, M.C. Chu, M.Y. Cui, S.W. Cui, X.H., Y.D. Cui, B.Z. Dai, H.L. Dai, Z.G. Dai, Danzengluobu, Y.X. Diao, X.Q. Dong, K.K. Duan, J.H. Fan, Y.Z. Fan, J. Fang, J.H. Fang, K. Fang, C.F. Feng, H. Feng, L. Feng, S.H. Feng, X.T. Feng, Y. Feng, Y.L. Feng, S. Gabici, B. Gao, C.D. Gao, Q. Gao, W. Gao, W.K. Gao, M.M. Ge, T.T. Ge, L.S. Geng, G. Giacinti, G.H. Gong, Q.B. Gou, M.H. Gu, F.L. Guo, J. Guo, X.L. Guo, Y.Q. Guo, Y.Y. Guo, Y.A. Han, O.A. Hannuksela, M. Hasan, H.H. He, H.N. He, J.Y. He, X.Y. He, Y. He, S. Hernández-Cadena, B.W. Hou, C. Hou, X. Hou, H.B. Hu, S.C. Hu, C. Huang, D.H. Huang, J.J. Huang, T.Q. Huang, W.J. Huang, X.T. Huang, X.Y. Huang, Y. Huang, Y.Y. Huang, X.L. Ji, H.Y. Jia, K. Jia, H.B. Jiang, K. Jiang, X.W. Jiang, Z.J. Jiang, M. Jin, S. Kaci, M.M. Kang, I. Karpikov, D. Khangulyan, D. Kuleshov, K. Kurinov, B.B. Li, Cheng Li, Cong Li, D. Li, F. Li, H.B. Li, H.C. Li, Jian Li, Jie Li, K. Li, L. Li, R.L. Li, S.D. Li, T.Y. Li, W.L. Li, X.R. Li, Xin Li, Y. Li, Y.Z. Li, Zhe Li, Zhuo Li, E.W. Liang, Y.F. Liang, S.J. Lin, P. Lipari, B. Liu, C. Liu, D. Liu, D.B. Liu, H. Liu, H.D. Liu, J. Liu, J.L. Liu, J.R. Liu, M.Y. Liu, R.Y. Liu, S.M. Liu, W. Liu, X. Liu, Y. Liu, Y. Liu, Y.N. Liu, Y.Q. Lou, Q. Luo, Y. Luo, H.K. Lv, B.Q. Ma, L.L. Ma, X.H. Ma, J.R. Mao, Z. Min, W. Mitthumsiri, G.B. Mou, H.J. Mu, A. Neronov, K.C.Y. Ng, M.Y. Ni, L. Nie, L.J. Ou, P. Pattarakijwanich, Z.Y. Pei, J.C. Qi, M.Y. Qi, J.J. Qin, A. Raza, C.Y. Ren, D. Ruffolo, A. Sáiz, D. Semikoz, L. Shao, O. Shchegolev, Y.Z. Shen, X.D. Sheng, Z.D. Shi, F.W. Shu, H.C. Song, V. Stepanov, Y. Su, D.X. Sun, H. Sun, Q.N. Sun, X.N. Sun, Z.B. Sun, N.H. Tabasam, J. Takata, P.H.T. Tam, H.B. Tan, Q.W. Tang, R. Tang, Z.B. Tang, W.W. Tian, C.N. Tong, L.H. Wan, C. Wang, G.W. Wang, H.G. Wang, J.C. Wang, K. Wang, Kai Wang, Kai Wang, L.P. Wang, L.Y. Wang, L.Y. Wang, R. Wang, W. Wang, X.G. Wang, X.J. Wang, X.Y. Wang, Y. Wang, Y.D. Wang, Z.H. Wang, Z.X. Wang, Zheng Wang, D.M. Wei, J.J. Wei, Y.J. Wei, T. Wen, S.S. Weng, C.Y. Wu, H.R. Wu, Q.W. Wu, S. Wu, X.F. Wu, Y.S. Wu, S.Q. Xi, J. Xia, J.J. Xia, G.M. Xiang, D.X. Xiao, G. Xiao, Y.L. Xin, Y. Xing, D.R. Xiong, Z. Xiong, D.L. Xu, R.F. Xu, R.X. Xu, W.L. Xu, L. Xue, D.H. Yan, T. Yan, C.W. Yang, C.Y. Yang, F.F. Yang, L.L. Yang, M.J. Yang, R.Z. Yang, W.X. Yang, Z.H. Yang, Z.G. Yao, X.A. Ye, L.Q. Yin, N. Yin, X.H. You, Z.Y. You, Q. Yuan, H. Yue, H.D. Zeng, T.X. Zeng, W. Zeng, X.T. Zeng, M. Zha, B.B. Zhang, B.T. Zhang, C. Zhang, F. Zhang, H. Zhang, H.M. Zhang, H.Y. Zhang, J.L. Zhang, Li Zhang, P.F. Zhang, P.P. Zhang, R. Zhang, S.R. Zhang, S.S. Zhang, W.Y. Zhang, X. Zhang, X.P. Zhang, Yi Zhang, Yong Zhang, Z.P. Zhang, J. Zhao, L. Zhao, L.Z. Zhao, S.P. Zhao, X.H. Zhao, Z.H. Zhao, F. Zheng, W.J. Zhong, B. Zhou, H. Zhou, J.N. Zhou, M. Zhou, P. Zhou, R. Zhou, X.X. Zhou, X.X. Zhou, B.Y. Zhu, C.G. Zhu, F.R. Zhu, H. Zhu, K.J. Zhu, Y.C. Zou, X. Zuo.

Agradecimientos
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Deseamos agradecer -señalaron los investigadores- a todo el personal que trabaja en el sitio de LHAASO, a 4.400 metros sobre el nivel del mar, durante todo el año para mantener el detector y garantizar el buen funcionamiento del sistema de reciclaje de agua, el suministro eléctrico y demás componentes del experimento. Expresamos nuestro agradecimiento al Comité de Gestión de Chengdu del Área Nueva de Tianfu por su constante apoyo financiero a la investigación que utiliza datos de LHAASO. Agradecemos el apoyo computacional y de servicios de datos proporcionado por el Centro Nacional de Datos de Física de Altas Energías para el análisis de datos presentado en este artículo. Este trabajo de investigación fue financiado por el Programa Nacional Clave de I+D de China (2024YFA1611401, 2024YFA1611402, 2024YFA1611403, 2024YFA1611404) y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (12393851, 12393852, 12393853, 12393854, 12205314, 12105301, 12305120, 12261160362, 12105294, U1931201, 12375107, 12275280, 12105293, 11905240, 12375106). Este trabajo fue financiado por el Proyecto de Innovación del IHEP (E25451U2), la Fundación de Ciencias de la Provincia de Sichuan para Jóvenes Investigadores Distinguidos (2022JDJQ0043) y la Asociación para la Promoción de la Innovación Juvenil de la Academia China de Ciencias (CAS YIPA) (2023019). Agradecemos al Instituto de Meteorología de la Meseta de la CMA Chengdu por el mantenimiento de los datos meteorológicos, y a la Agencia Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico de Tailandia (NSTDA) y al Consejo Nacional de Investigación de Tailandia (NRCT) por el Programa de Subvenciones para Equipos de Investigación de Alto Potencial (N42A650868).

El artículo LHAASO Uncovers Mystery of Cosmic Ray “Knee” Formation – Chinese researchers identify black holes as likely source of high-energy component of cosmic ray “knee” fue publicado en el sitio web del Institute of High Energy Physics de la Chinese Academy of Sciences

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