Desde su lanzamiento el pasado junio, el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA ha descubierto una nueva clase de púlsar, estudiado los estallidos de rayos gamma y observado chorros llameantes en galaxias a miles de millones de años luz de distancia. Hoy n la reunión de la Sociedad Física Americana en Denver, Colorado, los científicos de Fermi revelaron nuevos detalles sobre las partículas de alta energía implicadas en un cercano misterio cósmico.
“El Telescopio de Gran Área de Fermi es un detector de rayos gamma de última tecnología, pero también es una fantástica herramienta para investigar los electrones de alta energía en los rayos cósmicos”, dijo Alexander Moiseev, que presentó las conclusiones. Moiseev es un astrofísico del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland.
Los rayos cósmicos son electrones, positrones y núcleos atómicos híper-rápidos, moviéndose casi a la velocidad de la luz. Los astrónomos creen que los rayos cósmicos de mayor energía surgen de lugares exóticos dentro de nuestra galaxias, tales como los restos de estrellas que han explotado.
El Telescopio de Gran Área (LAT) de Fermis es exquisitamente sensible a los electrones y su homólogo de antimateria, los positrones. Observando 4,5 millones de partículas de alta energía que impactaron en el detector entre el 4 de agosto de 2008 y el 31 de enero de 2009, el equipo de LAT encontró pruebas que complementan y refutan otros recientes hallazgos.
Comparado con el número de rayos cósmicos a energías más bajas, más partículas de los esperado impactaron en LAT a energías mayores de 100 000 millones de electrón-voltios (100 GeV) basándose en experimentos anteriores y modelos tradicionales. (La luz visible tiene energías entre dos y tres electrón-voltios). La observación tiene implicaciones similares a medidas complementarias de un satélite europeo llamado PAMELA y del Sistema Estereoscópico de Alta Energía (HESS) en tierra, un conjunto de telescopios situados en Namibia que ve destellos de luz como rayos cósmicos que impactan en la atmósfera superior.
El pasado otoño, un experimento de globo llamado ATIC captó pruebas de un drástico pico en el número de rayos cósmicos a energías alrededor de 500 GeV. “Fermi habría visto esta singular característica si realmente estuviese allí, pero no lo hizo”, dijo Luca Latronico, miembro del equipo del Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN) en Pisa, Italia. “Con la mejor resolución de LAT y más de 100 veces el número de electrones recopilados por experimentos de globo, estamos viendo estos rayos cósmicos con una precisión sin precedente”.
Al contrario que los rayos gamma, que viajan desde sus fuentes en línea recta, los rayos cósmicos toman el camino alrededor de la galaxia. Pueden rebotar en los átomos de gas galáctico o ser acelerados y redirigidos por los campos magnéticos. Estos eventos hacen que los caminos de las partículas sean aleatorios y hace difícil decir dónde se originaron. De hecho, determinar la fuente de rayos cósmicos es uno de los objetivos clave de Fermi.
Lo que es más emocionante de los datos de Fermi, PAMELA y HESSW es que pueden implicar la presencia de un objeto cercano que está lanzando rayos cósmicos hacia nuestro camino. “Si estas partículas fueron emitidas desde lejos, habrían perdido una gran cantidad de energía para el momento que llegasen hasta nosotros”, explicó Luca Baldini, también colaborador de Fermi en el INFN.
Si una fuente cercana está enviando electrones y positrones hacia nosotros, el posible culpable es un púlsar – los compactos restos de giro rápido de una estrella que estalló. También hay una posibilidad más exótica sobre la mesa. Las partículas podrían surgir de la aniquilación de partículas hipotéticas que forma lo que se conoce como materia oscura. Esta misteriosa sustancia ni produce ni interactúa con la luz y se revela sólo a través de los efectos gravitatorios.
“El siguiente paso de Fermi es buscar cambios en el flujo de electrones de rayos cósmicos en distintas partes del cielo”, dijo Latronico. “Si existe una fuente cercana, tal búsqueda nos ayudará a descubrir dónde empezar a buscar”.
Como el universo se está expandiendo, se cree que los anillos negros podrían existir si existen otras escalas similares a la constante cosmológica (esta constante fue derivada por Einstein para explicar un universo “plano”, pero más tarde se encontró que la constante era requerida para caracterizar la expansión universal observada por Edwin Hubble en 1929). Si existen anillos negros en un espacio-tiempo de 4D, si colapso gravitatorio sería contrarrestado por la expansión del espacio-tiempo (como está caracterizado por la constante cosmológica).
La única analogía que se me ocurre para el mundo terrestre son los anillos de burbujas (o, también, los anillos de humo). Cuando estamos bajo el agua la burbuja subirá hacia la superficie. Sin embargo, bajo la restricción de la tensión superficial, la burbuja formará la menor forma posible. Cuando se genera un anillo de burbuja, se necesita un equilibrio entre la tensión superficial y un vórtice. La tensión superficial tira hacia dentro, mientras que el vórtice mantiene la forma del anillo de burbuja, empujando hacia fuera.
En el caso del anillo oscuro, la gravedad tira hacia dentro, mientras que la expansión del universo tira hacia fuera. Esta situación, en un universo en expansión, podría generar ejemplos perdurables de anillos oscuros allí fuera.
En la investigación de Kimura, no sólo los anillos oscuros son una posibilidad, sino que podría haber un número de formas complejas distintas que podrían formarse considerando estas dimensiones extra. Cuando el universo era joven, podrían haber sido posibles múltiples anillos oscuros interactuando, finalmente fundiéndose para formar agujeros negros.
Aunque esta investigación es muy interesante, es difícil imaginar cómo podríamos observar estos anillos oscuros de dimensiones superiores. ¿Los veríamos como una singularidad (es decir, un agujero negro) en nuestro espacio de 4D? ¿O serían inobservables para los seres de dimensiones más bajas como nosotros?
Las estrellas de neutrones son estrellas moribundas que aparentemente no encajan en casi ninguna categoría. Son pequeñas y extremadamente densas; de aproximadamente 20 kilómetros de diámetro con masas sobre 1,4 veces la del Sol, lo que significa que, sobre la Tierra, una cucharada de estrella de neutrones pesaría unas 100 millones de toneladas. También giran muy rápido, unas 700 veces por segundo. Y de acuerdo con un nuevo estudio, las estrellas de neutrones tienen otra cualidad de superhéroe: la superficie externa de estas estrellas colapsadas en probable que sea 10 mil millones de veces más fuerte que el acero o cualquier otra aleación terrestre.
Charles Horowitz, profesor de la Universidad de Indiana llevó a cabo varias simulaciones por ordenador de dinámica molecular a gran escala y determinó que la corteza de las estrellas de neutrones es extremadamente fuerte.
“Modelamos una pequeña región de la estrella de neutrones siguiendo el movimiento individual de hasta 12 millones de partículas”, dijo Horowitz sobre el trabajo llevado a cabo por el Centro de Teoría Nuclear de la UI en la Oficina del Vicerrector de Investigación. “Entonces calculamos cómo se deforma la corteza y finalmente se rompe bajo el extremo peso de una montaña de estrella de neutrones”.
Llevada a cabo en un gran clúster de ordenadores en el Laboratorio Nacional de Los Álamos y basada en versiones menores creadas a propósito de hardware de ordenador para dinámica molecular en la UI, las simulaciones identificaron que la corteza de una estrella de neutrones supera con mucho la fuerza de cualquier material conocido en la Tierra.
La corteza podría ser tan fuerte que sería capaz de provocar ondas gravitatorias que podrían no solo limitar los periodos de giro de algunas estrellas, sino que podrían también detectarse con telescopios de alta resolución llamados interferómetros, según encontró el modelo.
“El máximo tamaño posible para estas montañas depende de la presión de ruptura de la corteza de la estrella de neutrones”, dijo Horowitz. “La gran presión de ruptura que encontramos debería soportar montañas en estrellas de neutrones de giro rápido lo bastante grandes para irradiar de forma efectiva ondas gravitatorias”.
Debido a la intensa presión encontrada en las estrellas de neutrones, los fallos estructurales e impurezas que debilitan a cosas como las rocas o el acero es menos probable que afecten a los cristales que se forman durante la nucleosíntesis que tiene lugar para formar una estrella de neutrones. Compactados entre sí por la fuerza gravitatoria, la corteza pueden soportar presiones de ruptura 10 mil millones de veces más de lo que soportaría el acero.
La investigación aparece en el ejemplar del 8 de mayo de la revista Physical Review Letters.
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