Giros y vueltas de rayos cósmicos de ultra alta energía

Título:El flujo difuso de rayos gamma de los cúmulos de galaxias

Autores: Saquib Hussain, Rafael Alves Batista, Elisabete de Gouveia Dal Pino, Klaus Dolag

Institución del primer autor: Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG), Universidad de Sao Paulo (USP), Sao Paulo, Brasil

Estado: abierto acceso en ArXiv

Los aceleradores de partículas de mayor energía

Mucha gente ha oído hablar de la Gran Colisionador de Hadrones, u otros aceleradores terrestres, pero ¿qué pasa con los aceleradores de partículas astrofísicas? En el espacio, las partículas pueden acelerarse a energías extremadamente altas, ¡a veces hasta 10 000 veces más altas que en la Tierra! Pero, ¿qué son estos aceleradores de energía extremadamente alta y cómo podemos encontrarlos?

Las partículas cargadas que se han acelerado se denominan rayos cósmicos de ultra alta energía (UHECR), que suelen ser protones o, a veces, núcleos más pesados. Estos UHECR chocan entre sí o con fotones, produciendo los fotones de mayor energía en nuestro universo. rayos gamma.

Podemos observar estos rayos gamma con telescopios en la Tierra, pero no siempre podemos rastrear todos los fotones que vemos hasta una fuente individual. Los que no se pueden atribuir a una sola fuente provienen de una variedad de longitudes de onda y direcciones y se denominan rayos gamma difusos. Para investigar la fuente de estos rayos gamma, investigamos clases de fuentes que podrían producir UHECR y, por lo tanto, rayos gamma. Una de esas posibles clases de origen es galaxias estelaresmientras que otro son los cúmulos de galaxias, que es lo que investigan los autores de hoy en su artículo.

Los autores de hoy describen un modelo que investiga los UHECR de cúmulos de galaxias. Estos UHECR quedan atrapados en el campo magnético de un cúmulo y se aceleran hasta que producen estos rayos gamma de energía extremadamente alta. Al simular un posible conjunto de cúmulos a diferentes distancias, los autores pueden predecir cuántos rayos gamma se verían en la Tierra. Luego, los autores pueden comparar el flujo difuso de rayos gamma y cuántos rayos gamma podrían provenir de los cúmulos.

¿Qué sucede con los rayos cósmicos dentro de los cúmulos de galaxias?

Figura 1: Una simulación del camino que tomarían 2 rayos cósmicos diferentes a través de un cúmulo. Los rayos cósmicos son partículas cargadas, por lo que siguen líneas de campo magnético, creando los patrones de bucle que se ven aquí. La escala de colores muestra la intensidad del campo magnético del cúmulo, con mayor intensidad de campo en los colores verde a azul. Figura 1 en el papel.

Las partículas cargadas dentro de un campo magnético experimentarán una fuerza de acuerdo con la Ley de fuerza de Lorentz, lo que hace que estas partículas giren y sigan las líneas del campo magnético. Dentro de un cúmulo, donde el campo magnético no es constante, esto puede causar algunas trayectorias locas cuando los rayos cósmicos quedan atrapados dentro de un cúmulo y se aceleran. En la Figura 1 se muestran rutas de muestra que podrían tomar dos rayos cósmicos cuando viajan a través de un cúmulo.

A medida que los rayos cósmicos viajan dentro del cúmulo, se aceleran a altas energías y eventualmente interactúan, produciendo fotones. Para que estos rayos cósmicos se conviertan en UHECR, deben quedar atrapados dentro del cúmulo el tiempo suficiente para ser acelerados a una energía lo suficientemente alta como para producir rayos gamma. Pero, una vez que alcanzan energías ultra altas e interactúan, produciendo fotones, esos fotones de rayos gamma pueden escapar y viajar para alcanzarnos.

Una mirada al futuro: lo que podrían ver los futuros telescopios de rayos gamma

En este punto de la historia, estos UHECR se han producido, acelerado e interactuado y han producido rayos gamma dentro de un cúmulo. Pero ahora los autores quieren saber cuál es el flujo de rayos gamma de todos como se verían los cúmulos juntos, y si eso puede explicar esta medición difusa de rayos gamma que se ha visto.

Para calcular esto, los autores observan una distribución de cúmulos de muchas masas diferentes y descubren que la mayor cantidad de rayos gamma proviene de cúmulos con una masa entre 1013 y 1015 veces la masa del sol. Teniendo en cuenta todos estos cúmulos, y cómo se distribuyen en el cielo, los autores también tienen en cuenta su distancia de nosotros y su corrimiento al rojo para encontrar el flujo total que esperaríamos ver en la Tierra. Sin embargo, también esperamos ver que algunos rayos gamma interactúen con el Luz de fondo extragaláctica (EBL) en su camino hacia nosotros y se pierden (esto se llama atenuación). El modelo de estos autores tiene todo esto en cuenta, y el resultado se muestra en la Figura 2.

Gráfica de flujo de energía (cantidad de energía por segundo por unidad de área) esperada en la Tierra versus energía.  La energía va de 10 ^ 10 a 5 veces 10 ^ 14 eV.  En el gráfico hay una región rosa, que muestra el rango de modelos permitido.  Esto es mayormente plano a energías de hasta 10 ^ 12 eV, pero disminuye rápidamente después de eso.  Superpuestos hay puntos negros que muestran mediciones de rayos gamma de hasta 10^12 eV, que se superponen con el modelo en algunos lugares.  También hay 4 curvas que muestran la sensibilidad de 3 telescopios de rayos gamma diferentes, que son más bajos que el modelo en algunas energías.
Figura 2: Esta gráfica muestra el flujo en función de la energía calculada en este modelo. El rango rosa muestra este modelo, mientras que los puntos negros muestran datos medidos usando Fermi-LAT. Las curvas azul, verde y roja muestran la sensibilidad de 3 telescopios de rayos gamma actuales o futuros diferentes, lo que significa que los flujos por encima de estas líneas deberían ser visibles para esos telescopios. Este es el panel de la derecha de la Figura 5 en el documento.

Esta figura muestra el resultado más emocionante de este artículo. – ¡Es posible que los cúmulos sean responsables de todo el flujo difuso de rayos gamma que vemos a altas energías!

En la figura, el flujo esperado del modelo podría estar en cualquier parte de la región rosa (esto forma una banda debido a un rango de valores posibles para algunas cantidades en el modelo). Los puntos negros muestran los rayos gamma difusos medidos, que se encuentran dentro de la región rosa a energías superiores a 1011 eV, lo que significa que a estas energías los cúmulos de galaxias podrían explicar todo el flujo difuso.

Las curvas roja y azul muestran la sensibilidad de dos (la Conjunto de telescopios Cherenkov (CTA)y LHAASO) telescopios terrestres de rayos gamma, lo que significa que cualquier flujo por encima de estas curvas sería visible para estos telescopios. LHAASO ha detectado recientemente varias fuentes de rayos gamma de energía extremadamente alta mientras aún están en construcción, y CTA es un emocionante telescopio próximo. Esto significa que estos nuevos telescopios podrían estudiar los rayos gamma provenientes de los cúmulos y, si este modelo es correcto, ¡estos telescopios deberían ver una parte del flujo difuso de rayos gamma proveniente de los cúmulos!

Esto es especialmente emocionante con estos próximos telescopios de rayos gamma: al usarlos, los astrónomos pueden investigar la fuente de algunas de las partículas de energía más altas del universo. Al encontrar la fuente de estos rayos gamma, los astrónomos pueden aprender más sobre la naturaleza de sus fuentes y qué procesos están sucediendo dentro de ellas.

Astrobite editado por Lynnie Saade

Crédito de la imagen destacada: Figura 1 de este artículo

Acerca de Jessie Thwaites

Jessie es estudiante de doctorado en el Centro de Astrofísica de Partículas IceCube de Wisconsin en la Universidad de Wisconsin-Madison. Estudia posibles fuentes astrofísicas de neutrinos de alta energía a través de la astrofísica multimensajero. Fuera de la física, toca la trompa y disfruta pasar tiempo al aire libre, especialmente esquiar y andar en bicicleta.

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