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Aceleración de partículas en choques astrofísicos

Un grupo de astrofísicos financiado por la Unión Europea ha profundizado en el conocimiento teórico de la aceleración de partículas en flujos relativistas con observaciones recientes de ráfagas de rayos gamma (GRB) y restos de supernovas.
Aceleración de partículas en choques astrofísicos
Las partículas con altas energías son habituales en todo el universo. Sus energías van de los megaelectronvoltios (MeV) en la heliosfera a los teraelectronvoltios (TeV) en restos de supernovas. A bajas energías, son detectadas por los satélites, mientras que a altas energías llegan a la superficie de la Tierra en forma de rayos cósmicos.

Hasta la fecha, se consideraba que los rayos cósmicos se originaban en potentes flujos que emanaban de explosiones de supernovas y GRB. Las partículas se aceleran en el frente de choque y, después, se liberan en el medio interestelar. Sin embargo, los mecanismos mediante los cuales se liberan y la forma en que se propagan son desconocidos.

Estas preguntas se abordaron en el marco del proyecto SHALOM (Explosive phenomena in the Universe: Gamma-ray bursts and supernova remnants as high-energy particle acceleration sites), financiado por la Unión Europea, en el cual se utilizaron observaciones recientes del Fermi Large Area Telescope (LAT) para obtener información sobre las propiedades de los rayos cósmicos.

Los astrofísicos crearon un mapa espectral de la radiación difusa de rayos gamma procedente de la desintegración de piones neutros, partículas que se producen mediante la interacción de los rayos cósmicos con los protones del entorno. Las observaciones disponibles se compararon con predicciones de modelos.

Se desarrolló una simulación de Monte Carlo para reproducir la propagación de los rayos cósmicos por el disco galáctico. El equipo de SHALOM también tuvo en cuenta la distribución inhomogénea de las fuentes de rayos cósmicos y el movimiento de los brazos de la galaxia donde es más probable que se concentren los restos de supernovas.

Se observó que la pendiente espectral de la radiación de rayos gamma varía de forma importante en función de las longitudes y latitudes galácticas, tanto en las observaciones como en las predicciones de modelos. Los astrofísicos explicaron las principales tendencias como resultados de la dinámica de los brazos de la galaxia.

Además, analizaron las observaciones de Fermi LAT de más de cien GRB. La finalidad era confirmar si la radiación de alta energía observada se había originado en el choque relativista hacia delante que se produce como resultado de la interacción con el medio alrededor.

El equipo de SHALOM examinó la situación en la cual la emisión observada está dominada por la radiación sincrotrón de electrones acelerados durante el choque y radiada en presencia de campos eléctricos amplificados. No obstante, se discutió que la radiación Compton inversa también es una componente importante en algunos casos.

La comparación de las predicciones teóricas con las observaciones de Fermi LAT dio lugar a conclusiones interesantes que se publicaron en revistas científicas de gran impacto sometidas a revisión. Aunque se centrasen en los restos estelares, los resultados de SHALOM tendrán implicaciones en el estudio de otros aceleradores cósmicos, como los núcleos galácticos activos.

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Palabras clave

Aceleración de partículas, ráfagas de rayos gamma, restos de supernovas, SHALOM, Fermi LAT, simulación de Monte Carlo
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