HAWC, dos púlsares y el origen del exceso de positrones en los rayos cósmicos

Dibujo20171120 Spatial morphology of Geminga and PSR B0656 14 science aan4880

Hay un exceso de positrones de alta energía en los rayos cósmicos (observado por PAMELA y AMS-02). Su origen podrían ser púlsares, la materia oscura u otra fuente exótica. El análisis de los púlsares Geminga (PSR B0633+17) y Monogem (PSR B0656+14) gracias a las observaciones de HAWC (High-Altitude Water Cherenkov Observatory) ofrece pistas contradictorias. En un artículo en Science se refuta que el origen sean púlsares y en otro en Physical Review D se confirma que son púlsares. Se necesitan más estudios de este tipo, y con más púlsares, para aclarar la situación. En cualquier caso, aún es pronto para descartar los púlsares como fuente del exceso de positrones.

HAWC ha detectado halos alrededor de estos dos púlsares que son fuentes brillantes de rayos gamma con energías de hasta 50 TeV. Gran parte de los fotones de estos halos se desintegran en pares electrón-positrón con energías en la escala TeV. La gran cuestión es si suficientes positrones pueden escapar de estos halos y alcanzar la Tierra. Según el artículo en Science, firmado por 116 astrónomos, pocos positrones escapan, insuficientes para explicar el exceso observado en el satélite PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) y el detector AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) instalado en la ISS. Sin embargo, el artículo de PRD, con solo tres autores, argumenta lo contrario.

Al peso (número de autores y prestigio de la revista) uno tiende a preferir la opinión ofrecida en Science, sin embargo, la ciencia requiere consenso. En mi opinión todavía es pronto para descartar el papel de los púlsares como explicación del exceso (solo se han estudiado dos). El artículo en contra es A. U. Abeysekara, …, H. Li, H. Zhang, “Extended gamma-ray sources around pulsars constrain the origin of the positron flux at Earth,” Science 358: 911-914 (17 Nov 2017), doi: 10.1126/science.aan4880, arXiv:1711.06223 [astro-ph.HE], y el artículo a favor es Dan Hooper, Ilias Cholis, …, Ke Fang, “HAWC observations strongly favor pulsar interpretations of the cosmic-ray positron excess,” Phys. Rev. D 96: 103013 (17 Nov 2017), doi: 10.1103/PhysRevD.96.103013, arXiv:1702.08436 [astro-ph.HE]. Más información divulgativa en Luboš Motl, “Dark matter source of cosmic ray positrons more likely: a paper,” The Reference Frame, 18 Nov 2017.

Dibujo20171120 Estimated positron energy flux at Earth from Geminga compared with AMS-02 science aan4880

Esta figura muestra el resultado principal del artículo publicado en Science. Se estima el flujo de positrones en la Tierra generados en el púlsar Geminga (curvas en forma de triángulo en la parte derecha) y se compara con el flujo observado por AMS-02 (puntos verdes); el flujo del púlsar Monogem es varios órdenes de magnitud más bajo y por ello no se muestra en la figura. El flujo observado por AMS-02 excede en varios órdenes de magnitud el estimado a partir de Geminga; más aún, su distribución está muy picada, siendo su anchura mucho menor que la estimada para el exceso de positrones medido por AMS-02. Por todo ello se concluye que los datos del catálogo HAWC descartan a estos púlsares sean los reponsables.

Dibujo20171120 calet electron positron cosmic rays results cern courier

Te recuerdo que el exceso de positrones observado por PAMELA para energías por debajo de 0,1 TeV, ha sido confirmado por AMS-02 hasta 1 TeV y por CALET hasta 3 TeV. El detector japonés CALET (CALorimetric Electron Telescope) se instaló en agosto de 2015 en la ISS (Estación Espacial Internacional), donde también se encuentra AMS-02 y ISS-CREAM. CALET, que está financiado por JAXA (Agencia Espacial Japonesa) con colaboración de ASI (Agencia Espacial Italiana) y NASA, tomará datos durante cinco años. Sus primeros resultados e publicaron en CALET Collaboration, “Energy Spectrum of Cosmic-Ray Electron and Positron from 10 GeV to 3 TeV Observed with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space Station,” Phys. Rev. Lett. 119: 181101 (01 Nov 2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.119.181101. Por otro lado, ISS-CREAM, es la versión de CREAM instalada en la ISS; el instrumento CREAM se solía lanzar usando globos sonda de larga duración. Que yo sepa ISS-CREAM aún no ha publicado resultados.

En resumen, el origen del exceso de positrones en los rayos cósmicos sigue siendo un misterio. Aunque en algunos medios se haya sugerido que los púlsares se descartan como su fuente, dicha hipótesis todavía sigue en el candelero. Habrá que estar al tanto de este tema.


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