Rayos gamma de alta energía: descubrieron que el sol es más brillante de lo que se creía

“El sol es más sorprendente de lo que imaginábamos”, afirmó Mehr Un Nisa, investigador del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Michigan en Estados Unidos, uno de los casi cien científicos que se sorprendieron recientemente por lo que descubrieron. Como dijo el propio especialista: “pensamos que teníamos esta estrella resuelta, pero este no es el caso”.

Nisa es la autor correspondiente de un artículo en la revista Physical Review Letters que detalla el descubrimiento de la luz de mayor energía jamás observada desde el sol. El equipo internacional detrás del hallazgo también descubrió que este tipo de luz de rayos gamma, es sorprendentemente brillante. Es decir que, en virtud a este descubrimiento, hay más de lo que los científicos habían anticipado previamente.

Aunque la luz de alta energía no llega a la superficie de la Tierra, estos rayos gamma crean firmas reveladoras que fueron detectadas por Nisa y sus colegas, que trabajan con el Observatorio Cherenkov de agua a gran altitud, o HAWC. HAWC. A diferencia de otros observatorios, funciona las 24 horas. “Ahora tenemos técnicas de observación que no eran posibles hace unos años —afirmó Nisa, que trabaja en el Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Ciencias Naturales—. En este régimen energético particular, otros telescopios terrestres no podrían mirar al sol porque solo funcionan de noche. El nuestro opera 24/7″.

Además de funcionar de manera diferente a los convencionales, HAWC se ve muy diferente al telescopio típico. En lugar de un tubo equipado con lentes de vidrio, HAWC utiliza una red de 300 grandes tanques de agua, cada uno lleno con unas 200 toneladas métricas de agua. La red está ubicada entre dos picos de volcanes inactivos en México, a casi 4 km. sobre el nivel del mar.

Desde este punto de vista, puede observar las consecuencias de los rayos gamma que golpean el aire en la atmósfera. Tales colisiones crean lo que se llama duchas de aire, que son algo similar a explosiones de partículas imperceptibles a simple vista. La energía del rayo gamma original se libera y redistribuye entre nuevos fragmentos que consisten en partículas de menor energía y luz.

Son estas partículas las que crean en su camino hacia abajo, los haces que HAWC puede detectar. Cuando las partículas de la lluvia interactúan con el agua en los tanques del telescopio, crean lo que se conoce como radiación Cherenkov que se puede localizar con los instrumentos del observatorio. Nisa y sus colegas comenzaron a recopilar datos en 2015.

En 2021, el equipo había acumulado suficientes datos para comenzar a examinar los rayos gamma del sol con suficiente escrutinio. “Después de observar los datos de seis años, apareció este exceso de rayos gamma —indicó Nisa—. Cuando lo vimos por primera vez, pensamos que no estábamos viendo correctamente, supusimos que el sol no puede ser tan brillante”.

El sol emite mucha luz que abarca una variedad de energías, pero algunas de ellas son más abundantes que otras. Por ejemplo, a través de sus reacciones nucleares, el sol proporciona una tonelada de luz visible, esa que es posible observar a diario. Esta forma de lleva una energía de aproximadamente 1 electrón voltio, una unidad de medida práctica en física. Los rayos gamma que observaron los especialistas tenían alrededor de 1 billón de electronvoltios, o 1 teraelectronvoltio (1 TeV). No solo fue sorprendente este nivel de energía, sino también el hecho de que pudieran verlo.

En la década de 1990, los científicos predijeron que el sol podría producir rayos gamma cuando los cósmicos de alta energía (partículas aceleradas por una potencia cósmica como un agujero negro o una supernova) chocan con protones en el sol. Pero, según lo que se sabía sobre esto, los investigadores también plantearon la hipótesis de que sería raro ver que estos rayos gamma lleguen a la Tierra. En ese momento, sin embargo, no había un instrumento capaz de detectar este tipo de emisiones de tan alta energía y no lo habría por un tiempo.

La primera observación de rayos gamma con energías de más de mil millones de electronvoltios provino del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA en 2011. Durante los siguientes años, la misión Fermi demostró que estos rayos no solo podían ser muy energéticos, sino también que había siete veces más de ellos de lo que los científicos habían esperado originalmente. Parecía que quedaban rayos gamma por descubrir a energías aún más altas. Cuando un telescopio se lanza al espacio, hay un límite en cuanto a cuán grandes y poderosos pueden ser sus detectores. Las mediciones del telescopio Fermi de los rayos gamma del sol alcanzaron un máximo de alrededor de 200 mil millones de electronvoltios.

Los teóricos dirigidos por John Beacom y Annika Peter, ambos profesores de la Universidad Estatal de Ohio, alentaron a la Colaboración HAWC a echar un vistazo. “Nos dijeron que estaban viendo un corte y que era posible que se pueda ver algo”, contó Nisa.

La Colaboración HAWC incluye más de 30 instituciones en América del Norte, Europa y Asia, y una parte considerable está representada en los casi 100 autores del nuevo artículo. Eso incluye al estudiante de posgrado de la Universidad Estatal de Michigan, Daniel Salazar-Gallegos, al profesor emérito James Linnemann y a Kirsten Tollefson, profesora de física y astronomía y decana asociada de la Escuela de Graduados de MSU.

Ahora, por primera vez, el equipo ha demostrado que las energías de los rayos del sol se extienden en el rango de TeV, hasta casi 10 TeV, “que parece ser el máximo”, afirmó Nisa. Actualmente, el descubrimiento genera más preguntas que respuestas. Los científicos solares se preguntan cómo exactamente estos rayos gamma alcanzan energías tan altas y qué papel juegan los campos magnéticos del sol en este fenómeno.

“Sin embargo, cuando se trata del cosmos, eso es parte de la emoción. Nos dice que había algo mal. Esto muestra que HAWC se está sumando al conocimiento de nuestra galaxia en las energías más altas, y está abriendo preguntas sobre nuestro propio sol. Nos está haciendo ver las cosas bajo una luz diferente. Literalmente”, concluyó Nisa.