Detectada una inexplicable señal de rayos gamma más allá de nuestra galaxia

Astrónomos que analizan 13 años de datos del Telescopio Espacial Fermi de Rayos Gamma de la NASA han encontrado una característica inesperada y aún inexplicable fuera de nuestra galaxia.

«Es un descubrimiento completamente fortuito», dijo Alexander Kashlinsky, cosmólogo de la Universidad de Maryland y el Centro Goddard de la NASA. «Encontramos una señal mucho más fuerte y en una parte diferente del cielo que la que estábamos buscando».

Curiosamente, la señal de rayos gamma se encuentra en una dirección similar y con una magnitud casi idéntica a otra característica inexplicable, producida por algunas de las partículas cósmicas más energéticas jamás detectadas. Un artículo que describe los hallazgos ha sido publicado en The Astrophysical Journal Letters.

El equipo estaba buscando una característica de rayos gamma relacionada con el CMB (fondo cósmico de microondas), la luz más antigua del universo. Los científicos dicen que el CMB se originó cuando el universo caliente y en expansión se enfrió lo suficiente como para formar los primeros átomos, un evento que liberó un estallido de luz que, por primera vez, podría impregnar el cosmos. Ampliada por la posterior expansión del espacio durante los últimos 13 mil millones de años, esta luz se detectó por primera vez en forma de débiles microondas en todo el cielo en 1965.

En los años 70, los astrónomos se dieron cuenta de que el CMB tenía la llamada estructura dipolar, que luego fue medida con alta precisión por la misión COBE (Cosmic Background Explorer) de la NASA. El CMB es aproximadamente un 0,12 % más caliente, con más microondas que el promedio, hacia la constelación de Leo, y más frío en la misma cantidad, con menos microondas que el promedio, en la dirección opuesta. Para estudiar las pequeñas variaciones de temperatura dentro del CMB, se debe eliminar esta señal. Los astrónomos generalmente consideran que el patrón es el resultado del movimiento de nuestro propio sistema solar en relación con el CMB a aproximadamente 370 kilómetros por segundo.

Este movimiento dará lugar a una señal dipolar en la luz procedente de cualquier fuente astrofísica, pero hasta ahora el CMB es el único que se ha medido con precisión. Al buscar el patrón en otras formas de luz, los astrónomos podrían confirmar o cuestionar la idea de que el dipolo se debe enteramente al movimiento de nuestro sistema solar.

«Esta medición es importante porque un desacuerdo con el tamaño y la dirección del dipolo CMB podría proporcionarnos una idea de los procesos físicos que operaban en el universo primitivo, potencialmente hasta cuando tenía menos de una billonésima de segundo de edad», dijo en un comunicado el coautor Fernando Atrio-Barandela, profesor de física teórica en la Universidad de Salamanca.

El equipo razonó que al sumar muchos años de datos del LAT (Large Area Telescope) de Fermi, que escanea todo el cielo muchas veces al día, se podría detectar un patrón de emisión dipolar relacionado en los rayos gamma. Gracias a los efectos de la relatividad, el dipolo de rayos gamma debería amplificarse hasta cinco veces más que los CMB detectados actualmente.

Los científicos combinaron 13 años de observaciones Fermi LAT de rayos gamma por encima de aproximadamente 3 mil millones de electronvoltios (GeV); a modo de comparación, la luz visible tiene energías de entre 2 y 3 electronvoltios. Quitaron todas las fuentes resueltas e identificadas y eliminaron el plano central de nuestra Vía Láctea para analizar el fondo extragaláctico de rayos gamma.

«Encontramos un dipolo de rayos gamma, pero su pico se encuentra en el cielo del sur, lejos del CMB, y su magnitud es 10 veces mayor de lo que esperaríamos de nuestro movimiento», dijo el coautor Chris Shrader, astrofísico en la Universidad Católica de América en Washington y en Goddard. «Si bien no es lo que estábamos buscando, sospechamos que puede estar relacionado con una característica similar reportada para los rayos cósmicos de mayor energía».

Los rayos cósmicos son partículas cargadas aceleradas, principalmente protones y núcleos atómicos. Las partículas más raras y energéticas, llamadas UHECR (rayos cósmicos de energía ultraalta), transportan más de mil millones de veces la energía de los rayos gamma de 3 GeV, y sus orígenes siguen siendo uno de los mayores misterios de la astrofísica.

Desde 2017, el Observatorio Pierre Auger en Argentina ha informado de un dipolo en la dirección de llegada de los UHECR. Al estar cargados eléctricamente, los rayos cósmicos son desviados por el campo magnético de la galaxia en diferentes cantidades dependiendo de sus energías, pero el dipolo UHECR alcanza su punto máximo en una ubicación del cielo similar a lo que el equipo de Kashlinsky encuentra en los rayos gamma. Y ambos tienen magnitudes sorprendentemente similares: aproximadamente un 7% más de rayos gamma o partículas que el promedio provenientes de una dirección y cantidades correspondientemente más pequeñas que llegan de la dirección opuesta.

Los científicos creen que es probable que ambos fenómenos estén relacionados: que fuentes aún no identificadas estén produciendo tanto rayos gamma como partículas de energía ultraalta. Para resolver este enigma cósmico, los astrónomos deben localizar estas misteriosas fuentes o proponer explicaciones alternativas para ambas características.