Los científicos de MSU ayudan a descubrir el más alto

Universidad del estado de michigan

EAST LANSING, Michigan – A veces, el mejor lugar para ocultar un secreto es a plena luz del día. Pregúntale al sol.

"El sol es más sorprendente de lo que pensábamos", dijo Mehr Un Nisa, investigador postdoctoral asociado en la Universidad Estatal de Michigan. "Pensábamos que habíamos descubierto esta estrella, pero ese no es el caso".

Nisa, que pronto se unirá al cuerpo docente de MSU, es la autora correspondiente de un nuevo 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 descubrimiento también descubrió que este tipo de luz, conocida como rayos gamma, es sorprendentemente brillante. Es decir, hay más de lo que los científicos habían previsto anteriormente.

Mirando como un HAWC

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.

Financiado por la Fundación Nacional de Ciencias y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de Humanidades, HAWC es una parte importante de la historia. A diferencia de otros observatorios, funciona las 24 horas.

"Ahora contamos con técnicas de observación que no eran posibles hace unos años", dijo 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 podían mirar al sol porque sólo funcionan de noche", dijo. "El nuestro funciona 24 horas al día, 7 días a la semana".

Además de funcionar de manera diferente a los telescopios convencionales, HAWC se ve muy diferente del 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 aproximadamente 200 toneladas métricas de agua. La red está ubicada entre dos picos de volcanes inactivos en México, a más de 13,000 pies sobre el nivel del mar.

Desde este punto de vista, se pueden observar las consecuencias de los rayos gamma que impactan el aire en la atmósfera. Estas colisiones crean lo que se llama lluvias de aire, que son un poco como explosiones de partículas imperceptibles a simple vista.

La energía del rayo gamma original se libera y se redistribuye entre nuevos fragmentos formados por partículas de menor energía y luz. Son estas partículas, y las nuevas partículas que crean en su camino hacia abajo, las que HAWC puede "ver".

Cuando las partículas de la lluvia interactúan con el agua en los tanques de HAWC, crean lo que se conoce como radiación Cherenkov que puede detectarse 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 analizar datos de seis años, surgió este exceso de rayos gamma", dijo Nisa. “Cuando lo vimos por primera vez, pensamos: 'Definitivamente lo arruinamos'. El sol no puede ser tan brillante con estas energías'”.

Haciendo historia

El sol emite mucha luz que abarca una variedad de energías, pero algunas energías son más abundantes que otras.

Por ejemplo, a través de sus reacciones nucleares, el sol proporciona una tonelada de luz visible, es decir, la luz que vemos. Esta forma de luz transporta una energía de aproximadamente 1 electrón voltio, que es una unidad de medida útil en física.

Los rayos gamma que observaron Nisa y sus colegas tenían alrededor de 1 billón de electronvoltios, o 1 teraelectrónvoltio, abreviado 1 TeV. No sólo fue sorprendente este nivel de energía, sino también el hecho de que estuvieran viendo tanto.

En la década de 1990, los científicos predijeron que el Sol podría producir rayos gamma cuando los rayos cósmicos de alta energía (partículas aceleradas por una potencia cósmica como un agujero negro o una supernova) chocaran contra los protones del Sol. Pero, basándose en lo que se sabía sobre los rayos cósmicos y el sol, los investigadores también plantearon la hipótesis de que sería raro ver que estos rayos gamma lleguen a la Tierra.

Sin embargo, en ese momento no existía un instrumento capaz de detectar rayos gamma 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 sólo podían ser muy energéticos, sino también que había aproximadamente siete veces más de lo que los científicos habían esperado originalmente. Y parecía que aún quedaban rayos gamma por descubrir en energías aún más altas.

Cuando un telescopio se lanza al espacio, existe un límite en cuanto al tamaño y potencia de sus detectores. Las mediciones de los rayos gamma del sol realizadas por el telescopio Fermi 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, animaron a la Colaboración HAWC a echar un vistazo.

“Nos dieron un codazo y nos dijeron: 'No estamos viendo un límite. Quizás puedas ver algo”, dijo Nisa.

La colaboración HAWC incluye más de 30 instituciones en América del Norte, Europa y Asia, y una parte considerable de ella está representada en los casi 100 autores del nuevo artículo. Eso incluye a tres Spartans adicionales: el estudiante de posgrado Daniel Salazar-Gallegos, el profesor emérito James Linnemann y 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 solares se extienden en el rango de los TeV, hasta casi 10 TeV, que parece ser el máximo, dijo Nisa.

Actualmente, el descubrimiento genera más preguntas que respuestas. Los científicos solares ahora se preguntarán cómo exactamente estos rayos gamma alcanzan energías tan altas y qué papel desempeñan los campos magnéticos del sol en este fenómeno, dijo Nisa.

Sin embargo, cuando se trata del cosmos, eso es parte de la emoción. Nos dice que algo andaba mal, faltaba o quizás ambas cosas en lo que respecta a cómo entendemos a nuestra estrella más cercana y querida.

"Esto demuestra que HAWC está ampliando nuestro conocimiento de nuestra galaxia en las energías más altas y está abriendo preguntas sobre nuestro propio sol", dijo Nisa. “Nos está haciendo ver las cosas desde una perspectiva diferente. Literalmente."

Por Matt Davenport

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Cartas de revisión física

10.1103/PhysRevLett.131.051201

Descubrimiento de rayos gamma del Sol inactivo con HAWC

3-ago-2023

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