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Searching for The Origin of Cosmic Rays and Neutrinos with LOFAR

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Las ráfagas de radio nos ayudan a adentrarnos en el misterioso origen de los rayos cósmicos

Una novedosa técnica para observar los rayos cósmicos mediante radiotelescopios puede arrojar luz sobre la procedencia de estas potentes partículas y aquello que las produce.

Espacio

El origen de los rayos cósmicos —partículas cargadas que se mueven casi a la velocidad de la luz— es uno de los misterios persistentes en astronomía. Mientras que la luz llega a los astrónomos más o menos en línea recta desde su punto inicial, los rayos cósmicos se desvían debido a los campos magnéticos, lo cual oscurece sus orígenes. En el proyecto LOFAR, financiado con fondos europeos, se ha utilizado de forma pionera un método novedoso de radiotelescopio para observar los rayos cósmicos y aprender más sobre ellos. No todos los rayos cósmicos son iguales. Además, abarcan una amplia gama de energías con respecto a su masa y velocidad. Las partículas de menor energía, de 10^15 eV, podrían emanar de restos de supernovas situados en el núcleo de la Vía Láctea, donde las partículas «bordean» los límites de las estrellas en explosión y adquieren velocidad gradualmente. Sin embargo, no existe ningún mecanismo conocido en nuestra galaxia que pueda acelerar las partículas para que alcancen las elevadísimas energías que a veces se observan, lo que sugiere un origen extragaláctico. «Los restos de supernovas extremadamente potentes tal vez puedan producir energías 100 veces superiores a 10^15 eV, pero más allá de estas cifras resulta difícil, desde un punto de vista teórico, hallar fuentes que puedan generar tales energías», explica Stijn Buitink, coordinador del proyecto.

Llegadas alienígenas

Identificar el nivel de energía preciso en el que los rayos cósmicos pasan a estar dominados por fuentes extragalácticas ayudará a los astrónomos a reconstruir las condiciones que es probable que los produzcan. Para ello necesitan llevar a cabo muchas mediciones, pero observar los rayos cósmicos es difícil. Chocan contra la Tierra a un ritmo de una partícula de 10^15 eV por kilómetro cuadrado al año, por lo que los detectores terrestres resultan ineficaces. Lo más habitual es que los astrónomos estudien la fluorescencia tenue que se crea cuando los rayos cósmicos entran en la atmósfera y colisionan con las moléculas de aire, aunque este proceso solamente puede efectuarse en noches muy oscuras. Buitink y su equipo de la VUB, en Bélgica, utilizaron una nueva técnica que permite identificar las partículas cósmicas por el impulso de radio que emiten cuando chocan contra la atmósfera terrestre. «Estas ráfagas son muy cortas, se trata de decenas de nanosegundos», añade Buitink. Las señales se detectaron con LOFAR, un conjunto de veinte mil miniantenas de radio instaladas en los Países Bajos. Para no confundir las ráfagas de radio breves de los rayos cósmicos con las producidas por fuentes de origen humano, como las bujías de los automóviles, en LOFAR se utilizan detectores de partículas que distinguen la lluvia de partículas secundarias resultante de una colisión de rayos cósmicos en la atmósfera superior. «Con LOFAR demostramos que es posible supervisar los rayos cósmicos con gran precisión por radio, con la misma exactitud que con las técnicas tradicionales», afirma Buitink. La nueva técnica les permitirá observar los rayos cósmicos en todas las condiciones de luz, a lo largo de una amplia franja de cielo.

Metales pesados

Los rayos cósmicos de mayor masa —como los constituidos por hierro o plomo— penetran con mayor profundidad en la atmósfera, por lo que, al localizar la fuente de la ráfaga de radio, Buitink y su equipo lograron calcular el elemento constitutivo de los rayos cósmicos detectados, así como su nivel de energía. Sin embargo, queda una discordancia menor entre los resultados de LOFAR y los generados por la fluorescencia del aire. «O bien hay algo de las mediciones que no entendemos, o bien podría tratarse de algo interesante en física», señala Buitink. «Lo que podemos decir ahora es que LOFAR contribuyó a añadir mediciones, basadas en una tecnología completamente diferente, con incertidumbres distintas». Ya se han planificado actualizaciones de LOFAR para que funcione ininterrumpidamente y genere estos datos tan necesarios. Buitink también tiene intención de utilizar el telescopio Conjunto del Kilómetro Cuadrado (SKA, por sus siglas en inglés), que se está construyendo actualmente en Australia, para observar los rayos cósmicos con una precisión aún mayor.

Palabras clave

LOFAR, rayos cósmicos, partícula cargada, ráfaga de radio, telescopio, supernovas, fuente de energía, partículas secundarias

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