Descubren que los rayos cósmicos y gamma señalan una dirección del universo

Unos astrónomos que han analizado 13 años de datos del telescopio espacial Fermi de rayos gamma de la NASA han hallado un patrón inesperado e inexplicable en la distribución de rayos gamma por la estructura a gran escala del universo, fuera de nuestra galaxia.

Además, curiosamente este patrón de rayos gamma apunta hacia la misma dirección del universo en que lo hace un patrón de rayos cósmicos, y con una magnitud casi idéntica a la de este otro patrón.

El equipo internacional encabezado por Alexander Kashlinsky, cosmólogo de la Universidad de Maryland y del Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA, en Estados Unidos, buscaba un patrón de rayos gamma relacionado con el fondo cósmico de microondas (CMB por sus siglas en inglés), la luz más antigua del universo. El CMB se originó cuando el universo caliente y en expansión se enfrió lo suficiente como para que se formaran los primeros átomos, un acontecimiento que liberó un estallido de luz que, por primera vez, pudo impregnar el cosmos. Estirada por la posterior expansión del espacio durante los últimos 13.000 millones de años, esta luz se detectó por primera vez en forma de tenues microondas por todo el cielo en 1965.

En la década de 1970, unos astrónomos se dieron cuenta de que el CMB alberga un patrón, denominado dipolo, que posteriormente fue medido con gran precisión por el telescopio espacial COBE (Cosmic Background Explorer) de la NASA. El CMB es aproximadamente un 0,12% más caliente, con más microondas que la media, hacia la constelación de Leo, y más frío en la misma proporción, con menos microondas que la media, en la dirección opuesta. Para estudiar las diminutas variaciones de temperatura dentro del CMB, este patrón se debe tener en cuenta a fin de poder corregir debidamente los resultados.

Se cree que este patrón del 0,12 por ciento es el resultado del movimiento de nuestro sistema solar con respecto al CMB a unos 370 kilómetros por segundo.

Por tanto, este movimiento dará lugar a un dipolo en la radiación procedente de cualquier fuente astrofísica, pero hasta ahora el CMB era el único en el que se había medido el patrón con precisión.

Localizando el patrón en otras formas de radiación, la comunidad científica podría confirmar o cuestionar la idea de que el dipolo se debe enteramente al movimiento de nuestro sistema solar.

"Una medición de este tipo es importante porque un desacuerdo con el tamaño y la dirección del dipolo CMB podría revelarnos nuevos datos sobre los procesos físicos que operaron en el universo muy temprano, potencialmente remontándonos hacia atrás en el tiempo hasta cuando el universo tenía menos de una billonésima de segundo de edad", explica Fernando Atrio-Barandela, profesor de física teórica en la Universidad de Salamanca en España y coautor del estudio.

El equipo pensó que juntando muchos años de datos del LAT (Large Area Telescope) del Fermi, que escanea todo el cielo muchas veces al día, quizá se podría detectar en el fondo cósmico de rayos gamma un patrón de análogo al del CMB, o sea otro dipolo que encajaría con el primero.

Los autores del estudio combinaron 13 años de observaciones del LAT del Fermi de rayos gamma por encima de unos 3.000 millones de electronvoltios (GeV); a modo de comparación, la luz visible tiene energías de entre 2 y 3 electronvoltios aproximadamente. Los investigadores eliminaron todas las fuentes resueltas e identificadas, así como el plano central de nuestra Vía Láctea, para así poder concentrarse mejor en analizar el fondo extragaláctico de rayos gamma.

Y efectivamente encontraron un dipolo de rayos gamma, pero la sorpresa para los científicos fue mayúscula, porque resulta que su pico está situado en el cielo meridional, lejos del pico del CMB, y su magnitud es 10 veces mayor de lo que cabría esperar a partir del movimiento de nuestro sistema solar, tal como destaca Chris Shrader, coautor del estudio y astrofísico de la Universidad Católica de América en Washington.

La ilustración muestra todo el cielo en rayos gamma con círculos magenta que ilustran la incertidumbre en la dirección exacta desde la que llegan más rayos gamma de alta energía que la media. En esta representación, el plano de nuestra galaxia atraviesa el centro del mapa. Los dos círculos encierran regiones con una probabilidad del 68% (círculo interior) y del 95% (círculo exterior) de albergar la fuente de estos rayos gamma. (Imagen: NASA’s Goddard Space Flight Center)

"Aunque no es lo que buscábamos, sospechamos que puede estar relacionado con una característica similar de la que se tiene noticia para los rayos cósmicos de mayor energía", apunta Shrader.

Los rayos cósmicos son partículas cargadas aceleradas, principalmente protones y núcleos atómicos. Las partículas más inusuales y energéticas, llamadas rayos cósmicos de energía ultraalta, transportan más de mil millones de veces la energía de los rayos gamma de 3 GeV, y sus orígenes siguen siendo uno de los mayores enigmas de la astrofísica.

Desde 2017, el Observatorio Pierre Auger en Argentina ha venido informando de un dipolo en la dirección de llegada de los rayos cósmicos de energía ultraalta. El dipolo de los rayos cósmicos de energía ultraalta alcanza su punto máximo o pico en una ubicación del cielo similar a la que el equipo de Kashlinsky ha localizado para los rayos gamma. Y ambos tienen magnitudes sorprendentemente similares: aproximadamente un 7% más de rayos gamma o partículas que la media procedentes de una dirección y cantidades proporcionalmente menores procedentes de la dirección opuesta.

Los científicos creen muy probable que ambos fenómenos estén relacionados, es decir, que fuentes aún no identificadas estén produciendo tanto los rayos gamma como las partículas de energía ultraalta.

Para resolver este enigma cósmico, los astrónomos deberán, en futuras investigaciones, localizar estas supuestas fuentes o proponer explicaciones alternativas para ambos dipolos. Mientras, este gran misterio persistirá.

El estudio se titula “Probing the Dipole of the Diffuse Gamma-Ray Background”. Y se ha publicado en la revista académica The Astrophysical Journal Letters. (Fuente: NCYT de Amazings)