Científicos recrean 'bolas de fuego' cósmicas para investigar el misterio de los rayos gamma desaparecidos

Los resultados de esta investigación pionera podrían arrojar nueva luz sobre un misterio de larga data relacionado con los campos magnéticos ocultos del universo y los rayos gamma desaparecidos.

Los blazares son galaxias activas alimentadas por agujeros negros supermasivos que lanzan estrechos haces de partículas y radiación a velocidades cercanas a la de la luz hacia la Tierra. Estos chorros producen una intensa emisión de rayos gamma que se extiende hasta varios teraelectronvoltios, los cuales son detectados por telescopios terrestres.

A medida que estos rayos gamma TeV se propagan a través del espacio intergaláctico, se dispersan en la tenue luz de fondo de las estrellas, creando cascadas de pares de electrones y positrones. Según los modelos teóricos, estos pares deberían dispersarse en el fondo cósmico de microondas para generar rayos gamma de menor energía. Sin embargo, estos últimos no han sido captados por telescopios espaciales de rayos gamma, como el satélite Fermi, lo que hasta ahora ha constituido un enigma científico.

Una explicación para este fenómeno es que los pares son desviados por débiles campos magnéticos intergalácticos, dirigiendo los rayos gamma de menor energía fuera de nuestra línea de visión. Otra hipótesis, originada en la física de plasmas, sugiere que los propios haces de pares se vuelven inestables a medida que atraviesan la materia dispersa que se encuentra entre galaxias. En este caso, pequeñas fluctuaciones en el haz generan corrientes que producen campos magnéticos, reforzando la inestabilidad y potencialmente disipando la energía del haz.

Para probar estas teorías, el equipo de investigación —una colaboración entre la Universidad de Oxford y la Instalación Central de Láser (CLF) del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología (STFC)— utilizó la instalación HiRadMat (Alta Radiación a Materiales) del CERN para generar pares de electrones y positrones con el Super Proton Synchrotron y enviarlos a través de un plasma ambiental de un metro de largo.

Esto creó un análogo de laboratorio a escala de una cascada de pares impulsada por un blazar propagándose a través del plasma intergaláctico. Al medir el perfil del haz y las firmas del campo magnético asociado, los investigadores examinaron directamente si las inestabilidades del haz-plasma podrían interrumpir el chorro.

Los resultados fueron sorprendentes. Contrariamente a las expectativas, el haz de pares permaneció estrecho y casi paralelo, con una mínima perturbación o campos magnéticos autogenerados. Cuando se extrapola a escalas astrofísicas, esto implica que las inestabilidades del haz-plasma son demasiado débiles para explicar los rayos gamma GeV desaparecidos, respaldando la hipótesis de que el medio intergaláctico contiene un campo magnético que probablemente sea un vestigio del universo temprano.

El investigador principal, el profesor Gianluca Gregori del Departamento de Física de la Universidad de Oxford, declaró: "Nuestro estudio demuestra cómo los experimentos de laboratorio pueden ayudar a cerrar la brecha entre la teoría y la observación, mejorando nuestra comprensión de los objetos astrofísicos a partir de telescopios basados en satélites y en tierra. También destaca la importancia de la colaboración entre instalaciones experimentales de todo el mundo, especialmente para abrir nuevos caminos en el acceso a regímenes físicos cada vez más extremos".

Los hallazgos, sin embargo, plantean más preguntas. Se cree que el universo temprano era extremadamente uniforme y no está claro cómo un campo magnético pudo haberse sembrado durante esta fase primordial. Según los investigadores, la respuesta puede involucrar nueva física más allá del Modelo Estándar. La esperanza es que las próximas instalaciones, como el Observatorio del Array de Telescopios Cherenkov (CTAO), proporcionen datos de mayor resolución para probar estas ideas más a fondo.

El coinvestigador, el profesor Bob Bingham de la Instalación Central de Láser de STFC y la Universidad de Strathclyde, señaló: "Estos experimentos demuestran cómo la astrofísica de laboratorio puede probar teorías del universo de alta energía. Al reproducir condiciones de plasma relativista en el laboratorio, podemos medir procesos que dan forma a la evolución de los chorros cósmicos y comprender mejor el origen de los campos magnéticos en el espacio intergaláctico".

Por su parte, el coinvestigador profesor Subir Sarkar del Departamento de Física de la Universidad de Oxford añadió: "Fue muy divertido ser parte de un experimento innovador como este que añade una dimensión novedosa a la investigación de frontera que se está realizando en el CERN. Esperamos que nuestro sorprendente resultado despierte interés en la comunidad de física de plasmas (astro)física sobre las posibilidades de explorar cuestiones cósmicas fundamentales en un laboratorio terrestre de física de altas energías".

Los resultados de esta investigación han sido publicados en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), y también están disponibles en el repositorio arXiv.