El 27 de mayo de 2021, una partícula extremadamente energética procedente del espacio profundo impactó contra 23 de los detectores de superficie situados en la zona noroeste del Telescope Array, una infraestructura de 700 kilómetros cuadrados ubicada en el desierto de Millard, en Utah, Estados Unidos. El nivel de energía detectado por los centelleadores fue de 244 exaelectronvoltios (EeV), lo que lo sitúa en lo más alto del registro histórico, solo por detrás de la famosa partícula Oh-My-God  (Oh, dios mío) detectada en 1991, el rayo cósmico más energético jamás observado, con un nivel de energía de 320 EeV.  

Esta vez, la partícula no solo es extremadamente energética, sino que presenta una característica interesante: los científicos no tienen ni idea de qué fenómeno cósmico procede y cuál puede ser su origen. “Nos encontramos con un nuevo misterio de una partícula extremadamente energética proveniente de una dirección de llegada inesperada”, explica Toshihiro Fujii, investigador de la Universidad Metropolitana de Osaka, a elDiario.es. Él y un equipo internacional de investigadores presentan el descubrimiento en un artículo publicado este jueves en la revista Science en el que detallan que en la la región del cosmos de la que procede no aparece ninguna fuente obvia. “Cuando vi los datos lo primero que pensé es que se trataba de un error, pero en cuanto empezamos a comprobar los detalles, mi entusiasmo fue en aumento”, recuerda el investigador.

Procedente del vacío

Los rayos cósmicos de ultra-altas energías (UHECR, por sus siglas en inglés) son partículas subatómicas cargadas procedentes del espacio con energías superiores a 1 EeV, aproximadamente un millón de veces la energía alcanzada por los aceleradores de partículas fabricados por el hombre, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Mientras que los rayos cósmicos de baja energía emanan principalmente del sol, los UHECR son mucho más raros e infrecuentes y están relacionados con los fenómenos más energéticos del universo, como los que involucran agujeros negros, explosiones de rayos gamma y núcleos galácticos activos.  

La región de la que parece proceder la nueva partícula detectada es un enorme vacío en la estructura a gran escala del universo, una zona del cosmos donde residen muy pocas galaxias. Esto no quiere decir que venga de allí, pues una de las características de la trayectoria de estas partículas es que sufren las más variadas desviaciones en su travesía cósmica, pero se supone que cuanto más energéticos son, más directo es su camino. Ante esta contradicción, los autores sugieren que el hallazgo podría indicar una desviación magnética mucho mayor que la predicha por los modelos de campo magnético galáctico, una fuente no identificada en el vecindario extragaláctico local o una comprensión incompleta de la física de partículas de alta energía asociada. 

Los autores han llamado a la particula "Amaterasu", en honor a la diosa del sol relacionada con la creación de Japón

“No se ha identificado ningún objeto astronómico prometedor que coincida con la dirección desde la que llegó el rayo cósmico, lo que sugiere posibilidades de fenómenos astronómicos desconocidos y orígenes físicos novedosos más allá del modelo estándar”, asegura Fujii. Esta vez, él y su equipo han elegido un nombre menos tremendista que el conocido “Oh-My-God” y se han decantado por llamarla “Amaterasu”, en honor a la diosa del sol que, según las creencias sintoístas, jugó un papel decisivo en la creación de Japón.

Fujii cree que que los datos quizá nos ofrezcan información sobre escenarios exóticos como la desintegración de materia oscura súper pesada, o nuevas partículas desconocidas hasta ahora por la física. “Como decía uno de mis supervisores cuando estudiaba en Chicago, el premio Nobel de Física James Cronin, el mayor placer que puede vivir un científico es descubrir algo inesperado”, asegura.

Las partículas más energéticas del universo

“Se trata de uno de los rayos cósmicos más energéticos jamás descritos”, asegura Enrique Zas, catedrático de Física Teórica de la Universidad de Santiago (USC) y representante en España del Observatorio Pierre Auger, en el hemisferio sur. “Cuanto mayor es la energía del rayo cósmico detectado hay más restricciones sobre dónde pueden estar estos objetos”, apunta. “Esto hace que los rayos cósmicos de mayor energía sean muy interesantes, más allá de que simplemente destaquen por constituir las partículas más energéticas del universo”. Por otro lado, los rayos cósmicos de energías tan elevadas interaccionan con el fondo de microondas, lo que limita la distancia que pueden recorrer. “Por tanto, cuanta más energía tengan, más pequeña y más cercana será la región del universo en la que tenemos que buscar dichas fuentes”, señala Zas. “La dirección de llegada de estos rayos cósmicos apunta aproximadamente a la región de donde provienen, casi como si viajaran en línea recta, restringiendo más la zona donde buscar la fuente”.

El hecho de no hallar nada en la dirección de la que proviene este fenómeno es contradictorio porque, al ser tan energética, la partícula cargada primaria originaria sufre menos desvíos por los campos magnéticos que se interpone desde la fuente que lo haya originado y nosotros, incide Alberto Castro-Tirado, astrofísico del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) experto en astronomía en altas energías. En este caso, subraya, todo apunta a una zona particularmente desprovista de galaxias tanto en nuestro supercúmulo Local como más allá de él. “Y eso es lo relevante, porque plantea varios interrogantes: si el desvío producido por los campos magnéticos intermedios es mayor del predicho por los modelos, o que existan otras partículas primarias (aún desconocidas) constituyentes de los rayos cósmicos que pudieran ser inmunes al fondo de radiación de microondas”.

El físico de partículas Antonio Bueno Villar, catedrático de la Universidad de Granada (UGR) y experto en rayos cósmicos, recuerda las dificultades de detectar este tipo de partículas y el alto nivel de incertidumbre en sus mediciones. “Los flujos esperados de este tipo de partículas son tan débiles (en promedio, menores a una partícula por kilómetro cuadrado y por siglo), que los detectores actuales son demasiado pequeños para permitirnos extraer conclusiones estadísticamente relevantes sobre dónde se producen y cómo se aceleran estos núcleos atómicos”, advierte. Transformar las señales detectadas en unidades de energía, insiste, requiere de unos procesos de calibración complicados y laboriosos, no exentos de posibles incertidumbres que hacen que esta medida haya de ser tomada con extrema cautela, pues uno no mide directamente la partícula original, sino solo una parte de la progenie que genera el rayo cósmico al colisionar en la atmósfera. “Aquí el estado inicial es inaccesible y por tanto un completo misterio: no sabemos qué partícula llegó a la Tierra ni con qué energía”. 

Diferencia entre hemisferios

En la actualidad solo existen dos detectores capaces de medir estas partículas, uno en el hemisferio Norte (Telescope Array, en el que se basa este artículo) y otro en el sur (el Pierre Auger), que es el más preciso y en el que Enrique Zas lleva trabajando más de 20 años. “Hasta el momento los rayos cósmicos más energéticos registrados proceden de datos de distintos detectores del hemisferio norte”, afirma. La energía máxima medida en el observatorio Pierre Auger es 166 EeV, por detrás de los 244 EeV del descrito en este artículo y otros eventos de energías comparables fueron registrados en los años 1991, 1993 y 2001 con otros detectores que los precedieron y que también estaban ubicados en el hemisferio norte.

La clave podría radicar en que el flujo de rayos cósmicos en ambos hemisferios es diferente, lo cual sería un hallazgo fundamental

Enrique Zas — Catedrático de Física Teórica de la USC y representante en España del Observatorio Pierre Auger

¿Por qué esta diferencia entre el norte y el sur? Pese a lo que podría pensarse, indica Zas, no se debe a que tengamos más datos del hemisferio norte, puesto que el observatorio Pierre Auger es bastante más grande. “La clave podría radicar en que el flujo de rayos cósmicos en ambos hemisferios es diferente, lo cual sería un hallazgo fundamental”, señala. “Otra explicación puede ser que, al tratarse de detectores diferentes, tengan diferentes escalas, es decir que las medidas de un experimento estén sistemáticamente por encima de las del otro (como también se argumenta en el artículo)”.

Antonio Bueno también cree que la explicación puede estar en las diferentes formas de medir. “Técnicamente nuestra medida en Pierre Auger es más precisa porque usamos solo la información de los datos experimentales para convertir señales detectadas en energía, mientras ellos usan simulaciones”, comenta. “Estas simulaciones sabemos que contienen imprecisiones que no describen bien las medidas que se hacen a estas energías. Por eso sus errores de medida en la energía son tan grandes (un 30-40% del valor estimado que dan). Nosotros medimos con menos de la mitad de precisión (un 14% aproximadamente)”. Por otro lado, los detectores de superficie y las técnicas de calibración y medida empleadas son diferentes. “Por tanto, no es de extrañar que los flujos y las energías medidas en esta zona común del cielo difieran”, asegura.  

Explorar esas nuevas ventanas de energía es clave para entender cómo funciona el universo a diversas escalas

Antonio Bueno Villar — Catedrático de la Universidad de Granada (UGR) y experto en rayos cósmicos

En cualquier caso, los especialistas señalan la importancia de que los experimentos de rayos cósmicos de ultra-alta energía que operan en los dos hemisferios sigan con su toma de datos, pues nos dan acceso a energías a las que la humanidad no puede ni acercarse con las técnicas actuales de aceleración de partículas de las que disponemos. En palabras de Antonio Bueno, explorar esas nuevas ventanas de energía es clave para entender aspectos complementarios de la física: por un lado avanzar en nuestro conocimiento de la física de partículas (las escalas de distancias más pequeñas) y, por otro, entender cómo funciona el universo a las grandes escalas, donde tienen lugar los procesos energéticamente más violentos. “Por tanto, este es un paso más, muy fundamental en nuestra búsqueda, pero necesitamos más sucesos de estas características”, concluye. “Es decir, detectores más grandes y con mejores prestaciones para intentar dar una respuesta clara a cuáles son los objetos que producen estas partículas y cuáles son los mecanismos capaces de conferir tan descomunales energías”. 

El 10 de junio de 2022, un pequeño pico en las gráficas del radiotelescopio australiano ASKAP llamó la atención de los investigadores. Aquel pulso de radio, de una duración de 0,2 milisegundos, contenía la energía equivalente a la emitida por el sol durante 30 años. Y no solo eso, ahora sabemos que salió de una galaxia situada a 8.000 millones de años luz y es la ráfaga de radio rápida (FRB, por sus siglas en inglés) más antigua y distante localizada hasta la fecha.

El hallazgo de la ráfaga FRB 20220610A, como la bautizaron, se publicó este jueves en la revista Science por el equipo liderado por Stuart Ryder, de la Universidad Macquarie, y Ryan Shannon, de la Universidad de Swinburne. El hecho de haber podido localizar su origen en un grupo de galaxias, y la distancia a la que está, ha servido a los científicos para estimar la cantidad de materia que atravesó en su camino, lo que contribuye a resolver una de las grandes incógnitas de la cosmología moderna: dónde está la materia que falta en el universo para explicar su expansión acelerada.

Un 'suspiro' de 200 microsegundos

“El estallido fue increíblemente corto”, explica Shannon a elDiario.es. “Tiene sólo 200 microsegundos de ancho, lo cual es bastante sorprendente considerando que la señal viajó durante 8.000 millones de años para llegar a la Tierra”. Los estallidos rápidos de radio, explica, son destellos cortos y muy puntuales de radiación que viajan a través del universo, la mayoría desde otras galaxias, antes de llegar a nuestros radiotelescopios. “Muchos colegas apuestan a que provienen de estrellas de neutrones altamente magnetizadas, cadáveres estelares con campos magnéticos mil millones de veces más fuertes que las máquinas de resonancia magnética”, indica el experto. Es lo que se conoce como un magnétar.

Estas explosiones de radio fueron descubiertas en una fecha tan reciente como 2007, cuando se buscaba otro tipo de señal, los haces de radiación que proyectan algunas estrellas de neutrones que giran sobre sí mismas como si fueran faros cósmicos, conocidos como púlsares. Pero los estallidos de radio son ráfagas cortas incluso más energéticas y que no siempre se repiten, una señal tan potente y breve que durante un tiempo se creyó que se trataba de un error de lectura. Incluso se llegó a pensar que era una señal de origen terrestre que interfería con el radiotelescopio, como sucedió en algunos observatorios con los hornos microondas que se abrían a la hora de la comida.

Una década y media después, tras el hallazgo de casi un millar de ráfagas de este tipo dentro y fuera de nuestra galaxia, se han convertido en uno de los principales asuntos de interés en astrofísica, puesto que pueden servir para “escanear” el universo en busca de la “materia perdida”.

Un escáner cósmico

“La materia que falta es materia normal, la materia de la que están formadas las personas, las estrellas y las galaxias”, explica Shannon. “Sabemos por el Big Bang qué cantidad de este material está presente en el universo, pero cuando miramos al cielo, incluso con los mejores telescopios, vemos que al menos la mitad es invisible”. Al material que forma el universo visible se lo conoce como materia bariónica y no es suficiente para explicar la velocidad a la que rotan y se separan las galaxias, por lo que se habla desde entonces de conceptos como la energía y la materia oscura. Y por eso es importante medir cuanta materia bariónica hay entre galaxias, para ver si las cuentas cuadran o no cuando tengamos todos los datos.

¿Cómo pueden los FRB contribuir a resolver este misterio? “Cuando medimos estas ráfagas, sabemos que las ondas de radio interactúan con la materia y dependiendo de cuánta hay, estas ondas tienen un retraso gradual”, explica Nanda Rea, astrofísica del CSIC que no ha participado en este estudio. “Este retraso de la señal de radio te dice la densidad de electrones entre tú y la fuente que lo está emitiendo, de modo que puedes saber cuántas partículas hay entre medias”. 

Esto significa que si tienes suficientes haces de radio apuntando desde distintas ubicaciones del universo, con su fuente de emisión bien identificada, puedes calcular la cantidad de materia que hay entre galaxias y contribuir paulatinamente a resolver el misterio sobre la materia que falta. “La señal FRB contiene la huella de cada electrón libre que pasa en su camino hacia nosotros, y al comparar eso con la distancia de la galaxia anfitriona desde su corrimiento al rojo óptico terminamos con una densidad para este material caliente”, explica Stuart Ryder. “Estamos comenzando a usar FRB para construir un mapa 3D de esta red, de manera muy similar a como se usan los escáneres médicos para hacer un mapa 3D de lo que hay dentro del cuerpo humano”. Con una particularidad: como estas fuentes de radio de los magnétares proceden del estallido de supernovas, estaríamos escudriñando el universo a partir del halo que dejan las estrellas muertas. 

Como estas fuentes de radio proceden del estallido de supernovas, estaríamos escudriñando el universo a partir del halo que dejan las estrellas muertas

“Aunque todavía no sabemos qué causa estas explosiones masivas de energía, el artículo confirma que las explosiones de radio rápidas son eventos comunes en el cosmos y que podremos utilizarlas para detectar materia entre galaxias y comprender mejor la estructura del universo”, asegura Shannon. “Es como si los FRB pudieran sentirlo todo y pudiéramos utilizarlos para mapear esta materia faltante y comprender su importante papel en la configuración de las galaxias”.

Materia interpuesta

Para hacer estos cálculos, debes conocer la distancia que ha recorrido el haz de luz, algo que solo se puede conseguir cuando se corrobora la observación en las gráficas apuntando otros telescopios a la zona de la que procede la señal. Es lo que se hizo en el caso de la nueva ráfaga publicada en Science. “Solo gracias a tener algunas de las instalaciones informáticas más poderosas del mundo en la ubicación remota de ASKAP pudimos distinguir la débil señal contra el ruido de fondo”, dice Ryder. “Luego utilizamos el Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral (ESO) en Chile para buscar la galaxia fuente y descubrimos un pequeño grupo de galaxias que se están fusionando”.

Desde que se descubrieron las primeras fuentes de radio, se han identificado más de 800 de estas ráfagas, pero en la mayoría de los casos no hay tanta suerte y no se conoce el origen ni la distancia que han recorrido, un dato determinante para calcular la cantidad de materia con la que se han cruzado en su camino. De momento, solo se tienen datos tan precisos de alrededor de una veintena, confirma Nanda Rea, pero “lo que se espera es que cuando se tengan muchas más de estas ráfagas asociadas con sus galaxias, desde los más cercanos a los más lejanos, podremos tener una medida exacta de la materia que hay a nuestro alrededor y ver si eso es compatible o no, con la expansión del universo”.

Cuando se tengan muchas más de estas ráfagas asociadas con sus galaxias, podremos tener una medida exacta de la materia que hay a nuestro alrededor

Nanda Rea — Astrofísica del CSIC

Por este motivo, el trabajo de Nanda Rea, que estudia los pocos magnétares que se producen dentro de nuestra galaxia (de momento, solo dos) resulta especialmente interesante para resolver la cuestión de fondo. “Yo estudio fuentes que podrían ser las que producen este tipo de emisiones —asegura— para comprender por qué emiten así y qué están haciendo, porque si están en nuestra galaxia están más cerca y las vemos mejor”. A su juicio, el trabajo publicado ahora por el equipo de Shannon contribuye de manera notable a avanzar en la resolución de este problema, aunque aún quedan pendientes de resolver algunas posibles fuentes de confusión, como cuanta cantidad de materia que detectamos con los haces de radio procede de la propia galaxia de origen. “Esta es la razón por la que, con esta sola medida, no se puede cerrar el problema, pero sin duda abre un camino prometedor”, asegura. 

Cómo pesar el universo

“Cuando nos llega una señal como la de este FRB, podemos estudiar todos estos componentes y estimar por dónde ha viajado, y qué características se ha encontrado por el camino”, indica Benito Marcote, investigador del consorcio JIVE, que coordina la red europea de radiotelescopios VLBI. Cuando la luz recorre tanta distancia, va acumulando la impronta de todo el material a través del que viaja, recuerda. “Gracias a ello, los autores han podido establecer que en algún momento del camino, la luz de este FRB ha atravesado un lugar muy turbulento, con mayor densidad de gas de lo que cabría esperar”, apunta el investigador. A su juicio, dado que se emitió desde una distancia tan lejana, la luz de este FRB ha podido ir atravesando los halos alrededor de varias galaxias como nuestra Vía Láctea, añadiendo en cada paso una marca en la luz que finalmente nos llegó a la Tierra.

Con la información acumulada con muchos de estos eventos, seremos capaces de trazar, con un detalle hasta hace poco inimaginable, la estructura a gran escala del universo

Benito Marcote — Astrofísico del JIVE y la red europea de radiotelescopios VLBI

“La importancia de este descubrimiento no es en sí este FRB particular, sino que con la información acumulada con muchos de estos eventos, seremos capaces de trazar, con un detalle hasta hace poco inimaginable, la estructura a gran escala del universo, cómo la materia se mueve entre galaxia y galaxia y ha ido cambiando a lo largo de toda la historia”, concluye Marcote. “Pero también responder preguntas fundamentales de física como si los fotones (las partículas de luz) tienen masa, si viajan realmente a la velocidad de la luz exactamente, o pesar la materia que hay en el universo”.

Como en las grandes ocasiones, varias instituciones científicas habían convocado con ocho días de adelanto este 12 de mayo ruedas de prensa simultáneas en diferentes ciudades del mundo: Washington, Múnich, Tokio, México y Madrid, entre otras. El objetivo era anunciar un hallazgo “revolucionario, que cambia nuestra forma de entender el universo” en palabras de Rosa Menéndez, presidenta del CSIC, el organismo español convocante. Así fue: se trata de la primera imagen de Sagitario A*, un agujero negro supermasivo cuya existencia en el centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, se presuponía; pero sin pruebas visuales. Hasta ahora.

El hallazgo es obra del Telescopio Horizonte de Sucesos (Event Horizon Telescope, EHT, en sus siglas inglesas). En realidad, el EHT es una red sincronizada de radiotelescopios –de diversas instituciones científicas– que se extiende por México, Chile, el Polo Sur, Estados Unidos y España, que participa con el Observatorio del Instituto de Radioastronomía Milimétrica situado en el Pico Veleta, en Granada. Esa red funciona como un telescopio virtual del tamaño de la Tierra.

La foto mostrada hoy ha sido generada combinando la información proporcionada por la red del EHT. Se trata del mismo método que se empleó en 2019 cuando el mismo equipo reveló la primera imagen de un agujero negro, también supermasivo: en esa ocasión fue el situado en el centro de la galaxia elíptica Messier 87, localizada a unos 54 millones de años luz de distancia.

Un “monstruo” que lo atrapa todo

Bastante más cerca, a unos 26.000 años luz de la Tierra, y con una masa unos cuatro millones de veces mayor que la del Sol, Sagitario A* es un monstruo que atrae cuerpos celestes, ondas electromagnéticas, gases, polvo y todo aquello que no se desplace más rápido que la velocidad la luz… (en nuestro universo, nada se desplaza más rápido que la luz).

La fuerza de atracción que desata ese agujero negro supermasivo es la que dota a la Vía Láctea –la galaxia en la que se halla nuestro Sistema Solar– de su característica forma espiral y elíptica. De hecho, cuando un agujero negro atrapa un objeto cósmico (por ejemplo, una estrella) se produce un proceso llamado 'espaguetificación' –no es broma– por el que el objeto sufre un estiramiento en formas finas y alargadas, como un espagueti.

Hasta ahora los astrónomos trabajaban con la hipótesis de que el “cuerpo central” de nuestra galaxia era un agujero negro supermasivo. Esa hipótesis se sostenía en datos indirectos, como el movimiento durante 10 años de la estrella S2 y su órbita elíptica en torno a la enigmática región central. Hoy, por fin, los investigadores –y el resto de la Humanidad– podemos ver Sagitario A*.

Lograr la primera prueba visual del centro de nuestra galaxia no ha sido fácil. El reto era todavía mayor que en el caso del agujero negro de Messier 87, porque entre la Tierra y el centro de nuestra galaxia hay mucho polvo y nubes de gases cósmicos.

Este hallazgo debería servir para contribuir a una de las grandes preguntas en torno a los agujeros negros: ¿Se formaron con masas tan elevadas desde el principio o su masa se va acumulando con el tiempo?

Distribución del EHT, un telescopio virtual del tamaño de la Tierra