Investigadores de la NASA y de la Universidad de Salamanca han encontrado una característica inesperada y todavía no explicada en la emisión de rayos gamma provenientes de fuera de nuestra galaxia, según constatan después de analizar datos obtenidos durante 13 años por el satélite Fermi de la NASA, y cuyos resultados se publicaron ayer, 10 de enero, en la revista The Astrophysical Journal Letters.

“Es un descubrimiento totalmente fortuito”, explica Alexander Kashlinsky, cosmólogo de la Universidad de Maryland y del Goddard Space Flight Center de NASA, en Greenbelt, Maryland, quién ha presentado estos resultados en el congreso 243 de la Sociedad Americana de Astronomía celebrado del 7 al 11 de enero en Nueva Orleans. “Hemos encontrado una señal mucho más intensa y en otra parte del cielo en la que estábamos buscando”, precisa uno de los coautores del estudio.

Sorprendentemente, la señal en rayos gamma se encuentra en una dirección próxima y con una magnitud casi idéntica a la existente en los rayos cósmicos más energéticos detectados.

magen de animación de fuegos artificiales cósmicos -invisibles a nuestros ojos- que llenan el cielo nocturno. Gracias al Telescopio de Área Grande (LAT) a bordo del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA se observa el cielo en rayos gamma, la forma de luz de mayor energía.

Los investigadores buscaban medir en rayos gamma un efecto presente en el fondo cósmico de microondas (FCM), la luz más antigua del Universo. Esta radiación se originó cuando la expansión del Universo permitió la formación de los primeros átomos, evento que propició la liberación de radiación que, por primera vez, pudo propagarse por el espacio. Debido a la expansión, en los 13.000 millones de años siguientes la frecuencia de esta radiación se fue desplazando hacia valores más pequeños y fue detectada por primera vez en 1965 en el rango de microondas.

Efecto Doppler

En los años 70, los astrónomos consiguieron determinar que el FCM presentaba una estructura dipolar que fue posteriormente medida con gran precisión por la misión espacial Cosmic Background Explorer (COBE). La radiación era aproximadamente un 0.12% más intensa que el promedio en la dirección de la constelación de Leo, y menos intensa en la misma proporción en la dirección opuesta. Se considera que esas variaciones de temperatura son el resultado del movimiento de nuestro sistema solar relativo al FCM con una velocidad de 370 km/s.

Por efecto Doppler, el movimiento del sistema solar da lugar a un dipolo de igual dirección y amplitud en la radiación proveniente de cualquier fuente astronómica, pero hasta hoy solamente se ha medido con precisión este efecto en el FCM. Verificando la existencia o no de este rasgo en radiación a otras frecuencias, los astrónomos podrían confirmar o rechazar la idea de que el dipolo se debe exclusivamente a nuestro movimiento.

“Estas medidas son importantes porque cualquier disparidad con la amplitud y dirección del dipolo del FCM permitiría atisbar los procesos físicos que determinaron la evolución del universo primitivo, en un instante posterior al Big-Bang”, explica a Comunicación USAL Fernando Atrio-Barandela, catedrático de Física Teórica de la Universidad de Salamanca.

Fernando Atrio-Barandela, catedrático de Física Teórica de la Universidad de Salamanca.

13 años de observaciones

El equipo de investigadores pensó que añadiendo los datos de muchos años medidos por el Large Area Telescope del satélite Fermi (Fermi LAT), que observa todo el cielo varias veces al día, un dipolo similar podría detectarse en rayos gamma. Efectos relativistas hacen que este segundo dipolo tenga una amplitud hasta 5 veces la detectada en el FCM.

Los científicos combinaron 13 años de observaciones de rayos gamma con energías superiores a 3.000 millones de eV de Fermi LAT (en comparación, la luz visible tiene una energía entre 2 y 3 eV). Para hacer esta medida, eliminaron todas las fuentes discretas y enmascararon el plano central de la Galaxia para aislar la emisión difusa debida a fuentes extragalácticas.

“Encontramos el dipolo en rayos gamma pero su dirección está en el hemisferio sur, lejos de la dirección del FCM, y su magnitud es 10 veces mayor de lo que uno esperaría del movimiento de nuestra galaxia”, afirma el coautor Chris Shrader, un astrónomo de Goddard y de la Universidad Católica de América, Washington. “Aunque no es lo que estábamos buscando, sospechamos que puede estar relacionado con un patrón similar detectado en los rayos cósmicos más energéticos”, subraya.

Rayos cósmicos

Los rayos cósmicos son partículas cargadas, principalmente protones y núcleos atómicos, que se desplazan a gran velocidad. Los más escasos y más energéticos, denominados Rayos Cósmicos de Energía Ultra-grande (UHECRs, de sus iniciales in inglés), tienen una energía mil millones de veces mayor que los rayos gamma y su origen es uno de los mayores misterios de la astronomía actual.

El Telescopio Espacial Fermi de Rayos Gamma de la NASA, ilustrado aquí, escanea todo el cielo cada tres horas mientras orbita la Tierra.

Desde 2017, el observatorio Pierre Auger en Argentina ha determinado la existencia de un dipolo en la dirección de procedencia de los UHECRs. Al ser partículas cargadas, los rayos cósmicos son desviados por el campo magnético de la Galaxia, variando la deflexión con la energía de las partículas. Sin embargo, el dipolo de los UHECRs es similar a la que el grupo de A. Kashlinsky encontró en rayos gamma. Y ambos dipolos tienen una magnitud sorprendentemente similar. Existe, aproximadamente, un exceso del 7% de rayos gamma en una dirección y un déficit de igual magnitud en la dirección opuesta.

Los autores del trabajo creen que es probable que ambos fenómenos estén relacionados. Atrio-Barandela explica que fuentes todavía por identificar podrían producir, simultáneamente, rayos gamma y los ultra-energéticos rayos cósmicos. “Un posible escenario involucraría a agujeros negros supermasivos, como el que existe en el centro de nuestra galaxia. Los protones y núcleos que forman los rayos cósmicos estarían acelerados por los campos magnéticos que circundan el agujero negro, al tiempo que se emiten rayos gamma. Para dar una respuesta a esta conexión cósmica, los astrónomos deberán localizar estas fuentes o proponer explicaciones alternativas”, precisa el investigador de la Universidad de Salamanca.

El telescopio espacial de rayos gamma Fermi es una colaboración gestionada por Goddard. Fermi fue desarrollado en colaboración con el Departamento de Energía, con contribuciones importantes de instituciones académicas y socios en Francia, Alemania, Italia, Japón, Suecia y Estados Unidos.