Física de astropartículas

Durante muchos siglos la única manera que teníamos de entender lo que pasaba en el universo, era a través de la luz que llegaba a nuestros ojos, ya fuera a través de la observación directa o a través de telescopios desde los tiempos de Galileo. Aunque el ojo humano es un instrumento maravilloso, existen fenómenos que el ojo no puede detectar debido a que caen fuera del rango de longitudes de onda en el que es eficaz. Muchos de estos procesos son altamente energéticos y constituyen la rama de la Astrofísica de partículas o Física de astropartículas.

La Física de astropartículas es relativamente reciente. En esencia trata de investigar todos aquellos procesos astrofísicos de alta energía.

Prácticamente comenzó su andadura en 1911 con el descubrimiento de los rayos cósmicos por Victor Hess. Los rayos cósmicos son parte de esos procesos de alta energía que suceden en el Universo pero, ¿cómo distinguir si lo que recibimos de un objeto astronómico es debido a un proceso normal o de alta energía?

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Victor Franz Hess (Fuente: Dominio Público)

La mayor parte de la luz que recibimos de estrellas, nebulosas, galaxias,… se debe a procesos térmicos. Un proceso térmico es aquel en el que la radiación que medimos (no sólo visible, sino también infrarroja o ultravioleta, por ejemplo) se puede aproximar a la de un cuerpo negro. Los procesos que dan lugar a la radiación térmica comienzan en los núcleos de la estrellas. Son procesos de fusión nuclear de Hidrógeno, Helio y otros elementos más pesados que a su vez son los que dan lugar a la evolución de la propia estrella. Aunque son procesos realmente energéticos, éstos están todavía en el campo de la Física Nuclear. La energía que generan estos procesos de fusión es la responsable de la radiación que es emitida por la estrella. A su vez esta radiación incide sobre otros átomos presentes en su entorno y da lugar a la radiación (también térmica) que observamos en nebulosas y galaxias.

Sin embargo, la fundación de la radio astronomía, después de la Segunda Guerra Mundial, y la capacidad de detectar radiación en el rango de los rayos gamma, a partir de la década de los 60, contribuyeron a dejar claro que los procesos térmicos no eran los únicos que sucedían en el Universo.

Pero, pensemos un momento. Las ondas de radio forman parte del espectro electromagnético al igual que la luz visible, infrarroja y ultravioleta, ¿cómo es posible que la radio astronomía contribuyera al desarrollo de la Física de astropartículas?

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Uno de los dos telescopios MAGIC de 17 metros en La Palma (Credito: Robert Wagner, MPI de  Física, Munich / ASPERA).

Vamos a recordar lo que hablamos sobre el índice espectral aquí. Si la radiación emitida por una radio fuente dependiera de la frecuencia como ν2, ésta tendría un origen térmico ya que la distribución de energía tendría la forma de la aproximación de Rayleigh-Jeans, que se deriva de considerar la ecuación de la distribución de energía de Planck para bajas frecuencias (precisamente las que corresponden a las ondas de radio). Sin embargo, no se observa esta dependencia con la frecuencia, sino algo del tipo ν-0.5. Esto quiere decir que la radiación observada no es de origen térmico. En un alarde de originalidad a esta radiación se le llamó no térmica. De hecho, se trata de radiación sincrotrón causada por electrones moviéndose a velocidades relativistas en el interior de un campo magnético. Es más, sabemos que es radiación sincrotrón porque es la misma que observamos en los aceleradores de partículas en la tierra cuando aceleramos partículas cargadas siguiendo una trayectoria curva en el interior de un campo magnético. De ahí su nombre.

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Generación de radiación sincrotrón (izquierda) y comparación entre radiación térmica y no térmica (derecha) (Fuente)

A pesar de que la radiación observada (ondas de radio) es la que menos energía tiene de todo el espectro electromagnético, ésta es provocada por procesos de alta energía, que generan radiación no térmica, propios del campo de estudio de la Física de astropartículas.

Esta radiación se ha observado, por ejemplo, en restos de supernova, dejando claro lo altamente energéticas que son las explosiones de supernova.

Pero no sólo las ondas de radio nos dan pruebas de los procesos físicos de alta energía que ocurren en el Universo. También las radiaciones más energéticas, como los rayos X o los rayos gamma, son una prueba de ello.

En los laboratorios en tierra podemos estudiar la distribución de energía que tienen los procesos de dispersión de Compton y dispersión de Compton inversa. En la dispersión de Compton inversa los fotones adquieren energía en la retro dispersión de electrones cuando chocan con ellos. Para que esto ocurra, los electrones se tienen que estar moviendo a velocidades muy altas. Si al observar un objeto astronómico medimos, en el rango de los rayos X o de los rayos gamma, una distribución de energía que se corresponde con una distribución de energía de una dispersión de Compton inversa, podemos decir que existen procesos de alta energía, y de nuevo volvemos a entrar en el ámbito de la Física de astropartículas.

A veces, los procesos que generan radiación sincrotrón y los que generan dispersión de Compton inversa se unen para dar lugar a una combinación de ondas de radio y radiación más energética, ya sea en el rango de rayos X, de rayos gamma o ambos a la vez. Imaginemos la siguiente situación. Tenemos electrones moviéndose a gran velocidad en un campo magnético y por lo tanto se está emitiendo radiación sincrotrón que podemos medir usando técnicas de radioastronomía. Los fotones que se producen en la radiación sincrotrón, se encuentran con otros electrones relativistas y se produce dispersión de Compton inversa. El resultado es que el fotón inicial adquiere más energía, emitiendo, por tanto, también rayos X y/o rayos gamma.

Hasta ahora, hemos visto que los procesos de alta energía que se producen en algunos objetos astronómicos se deben a electrones relativistas, es decir, electrones que se están moviendo a velocidades próximas a la de la luz. Pero también observamos rayos cósmicos de una energía extremadamente alta que demuestran que no sólo los electrones son acelerados hasta altas energías, sino que también las partículas compuestas (hadrones), como los protones, también son aceleradas. La distribución de energía de estos protones sería diferente. Los protones interaccionarían con el gas con el que se encuentren en su camino y daría lugar a piones neutros (una partícula compuesta por un quark y un antiquark u o por un quark y un antiquark d). A su vez el pion neutro se desintegraría en dos fotones de alta energía (rayos gamma) con un espectro diferente al de la dispersión de Compton inversa. También podría pasar que la interacción diera lugar a piones cargados (compuestos por un quark u y un antiquark d o viceversa). La desintegración de estos piones cargados generaría neutrinos con una energía muy alta. Lo complicado de todo esto, es que aunque se han observado neutrinos de muy alta energía, no se han podido asociar a ninguna fuente puntual, es decir, a un objeto astronómico, por lo que no podemos conocer su origen.

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Uno de los eventos producidos por un neutrino de muy alta energía superpuesto a una imágen del laboratorio Ice Cube en el Polo Sur. (Crédito: Colaboración Ice Cube)

Quedan muchas preguntas por responder en el campo de la Física de astropartículas. Queda mucho por investigar para poder identificar los objetos astronómicos que producen las astropartículas y poder llegar a conocer el Universo en detalle. Pero no debemos olvidar que la Física de astropartículas es todavía una rama de la ciencia muy joven y todavía le queda mucho camino por recorrer.

Referencias

Particle Astrophysics. Susan Cartwright

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