Un PeVatrón para protones en el centro galáctico

Dibujo2016037 Acceleration of petaelectronvolt protons in the Galactic Centre VHE gamma-ray image of the Galactic Centre region nature17147-f1

Un misterio aún por resolver es la fuente de los rayos cósmicos con energías en la escala de los petaelectrónvoltio (PeV), unas mil veces mayor que las colisiones en el LHC del CERN (13 TeV). Su fuente debe ser un acelerador de partículas natural, un PeVatrón. Se publica en Nature que el centro galáctico, el agujero negro supermasivo llamado Sagitario A*, podría ser dicha fuente de protones en la escala PeV. Ahora lo vemos inactivo (acreta muy poca materia), pero hace entre uno y diez millones de años pudo estar activo y acretar suficiente materia para explicar la señal observada.

El artículo es HESS Collaboration, “Acceleration of petaelectronvolt protons in the Galactic Centre,” Nature (16 Mar 2016), doi: 10.1038/nature17147.

HESS (High Energy Stereoscopic System) es un sistema de varios telescopios que ha observado rayos gamma (fotones de alta energía) durante los últimos 10 años. Gracias a ello se puede estudiar el fondo de rayos cósmicos de muy alta energía (VHE), con más 100 GeV, en la región del centro galáctico. Hay mucho hidrógeno molecular en una región elipsoidal con radios 250 pc y 150 pc. Gracias al efecto Compton inverso emiten rayos gamma VHE. Pero no nos llegan a nosotros porque las pérdidas en dicha región son muy grandes.

Dibujo20160317 Spatial distribution of the cosmic-ray density versus projected distance from Sgr Astar Acceleration of petaelectronvolt protons in the Galactic Centre nature17147-f2

Esta figura muestra el espectro de energía de los fotones con E ≥ 10 TeV para distancias radiales hasta ≈ 200 pc desde el centro galáctico (recuerda que los recibimos en la Tierra que está a unos 8,5 kpc de distancia). En la región central el espectro es un orden de magnitud mayor del esperado para un fondo difuso (por cierto, para fotones de menor energía, en la escala GeV, no se observa este exceso). El nuevo artículo en Nature interpreta que en el centro galáctico debe existir algún mecanismo de aceleración de los rayos cósmicos hasta energías de muchos TeV que es responsable de dicho exceso.

La figura de abajo muestra el espectro de emisión difusa de rayos gamma en un anillo centrado en Sagitario A* obtenido por HESS. Estos rayos gamma son resultado de la desintegración de piones neutros producidos por la colisión de parejas de protones. Las energías de los fotones por encima de 10 TeV implican que la energía de los protones alcanza un 1 PeV. Un ajuste teórico apunta a una energía máxima de 2,9 PeV con una confianza estadística del 68% C.L., y de 0,4 PeV al 95% C.L. Este resultado se publica en Nature porque es la primera detección robusta de una fuente de partículas en la escala PeV, un acelerador de hadrones en esta escala, un PeVatron.

Dibujo20160317 VHE gamma-ray spectra of the diffuse emission and HESS J1745-290 nature17147-f3

El PeVatron en el centro galáctico está localizado en la misma región que la fuente central de rayos gamma, HESS J1745−290 (aunque aún no es posible saber si son la misma fuente). Hay otras fuentes puntuales próximas. Sin embargo, el nuevo artículo propone que la fuente más plausible es el agujero negro supermasivo Sgr A*. Los protones habrían sido acelerados gracias al flujo de acreción de materia. Hoy en día observamos una tasa de acreción demasiado pequeña, pero no se puede descartar que en el pasado hubiera sido mucho más fuerte. Una tasa de aceleración de 1039 erg/s de protones con energías E > 10 TeV durante los pasados 106–107 años es suficiente para explicar el flujo de rayos cósmicos con un espectro energético como el observado hasta la escala de los PeV.

Una hipótesis razonable y sugerente que tendrá que ser confirmada por futuros estudios. Pero todo apunta a que pronto confirmaremos que la fuente de los rayos cósmicos en la escala PeV está en nuestra galaxia, justo en el centro de nuestra galaxia.


1 Comentario

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botswanafirebotswanafire

El centro galáctico es SgrA*, ya casi se toman como sinónimos, es una enorme masa en el centro del potencial de la galaxia y parece coincidir con el centro geométrico también, en astronomía no hay ninguna discusión al respecto.

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