Los giros y vueltas de los rayos cósmicos de ultra alta energía

Título:Flujo difuso de rayos gamma de los cúmulos de galaxias

Autores: Saeb Hussein, Rafael Alves Batista, Elisabeth de Gouvia Dal Pino, Klaus Dolag

Fundación Primer Autor: Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG), Universidad de Sao Paulo (USP), Sao Paulo, Brasil

condición: Abierto Acceso a ArXiv

Aceleradores de partículas de la más alta energía

Mucha gente ha oído hablar de Gran Colisionador de Hadrones, u otros aceleradores de la Tierra, pero ¿qué pasa con los aceleradores de partículas astrofísicas? En el espacio, las partículas pueden acelerarse a energías extremadamente altas, ¡a veces hasta 10 000 veces más altas que las energías de la Tierra! Pero, ¿qué son estos aceleradores de energía extremadamente alta y cómo los encontramos?

Las partículas cargadas aceleradas se denominan rayos cósmicos de ultra alta energía (UHECR), que suelen ser protones o, a veces, núcleos más pesados. Los UHECR chocan entre sí o con fotones, lo que da como resultado los fotones de mayor energía en nuestro universo. rayos gamma.

Podemos detectar rayos gamma con telescopios en la Tierra, pero no siempre podemos rastrear todos los fotones que vemos hasta una sola fuente. Aquellos que no se pueden rastrear hasta una sola fuente provienen de una variedad de longitudes de onda y direcciones y se nombran rayos gamma dispersos. Para investigar la fuente de estos rayos gamma, examinamos las clases de fuentes que pueden producir UHECR y, por lo tanto, rayos gamma. Una de estas posibles clases de origen es galaxias estrellamientras que el otro son cúmulos de galaxias, que es lo que los autores de hoy buscan en su artículo.

Los autores de hoy describen un modelo que investiga los UHECR de los cúmulos de galaxias. Los UHECR quedan atrapados en el campo magnético del cúmulo y se aceleran para producir rayos gamma de energía extremadamente alta. Al simular un posible conjunto de cúmulos a diferentes distancias, los autores pueden predecir cuántos rayos gamma se pueden ver en la Tierra. Luego, los autores pudieron comparar el flujo difuso de rayos gamma y la cantidad de rayos gamma que podrían provenir de los cúmulos.

¿Qué sucede con los rayos cósmicos dentro de los cúmulos de galaxias?

Imagen con fondo negro y escala de colores en la esquina inferior izquierda. La escala de colores es un arco iris y muestra el campo magnético del cúmulo. La imagen tiene un desenfoque verde-amarillo en el centro, que representa el campo magnético del cúmulo simulado. En la parte superior, hay dos líneas moradas muy retorcidas y retorcidas. Estas líneas representan dos caminos de rayos cósmicos a través del cúmulo. — **Figura 1:** Simulación de ruta 2 de diferentes rayos cósmicos que pasan a través de un enjambre. Los rayos cósmicos son partículas cargadas, por lo que siguen líneas de campo magnético, formando los patrones toroidales que vemos aquí. La escala de colores muestra la fuerza del campo magnético del grupo, siendo la fuerza del campo mayor en los colores verde a azul. *Figura 1 en el papel.*

Las partículas cargadas dentro del campo magnético experimentarán una fuerza de acuerdo a Ley de fuerza de Lorentz, haciendo que estas partículas giren y sigan las líneas del campo magnético. Dentro del bloque, donde el campo magnético no es constante, esto puede causar algunos caminos locos a medida que los rayos cósmicos quedan atrapados dentro del bloque y se aceleran. La Figura 1 muestra los caminos que pueden tomar dos rayos cósmicos cuando viajan a través de una matriz.

Cuando los rayos cósmicos viajan dentro de la multitud, se aceleran a altas energías y eventualmente interactúan, produciendo fotones. Para que estos rayos cósmicos se conviertan en UHECR, deben quedar atrapados dentro del cúmulo el tiempo suficiente para acelerar a una energía lo suficientemente alta como para producir rayos gamma. Pero una vez que alcanzan energías ultra altas e interactúan y producen fotones, los fotones de rayos gamma pueden escapar y viajar para alcanzarnos.

Una mirada al futuro: lo que se puede ver con los futuros telescopios de rayos gamma

En este punto de la historia, este UHECR se ha producido, acelerado, interactuado y producido rayos gamma dentro de una matriz. Pero ahora los autores quieren saber la fuente del flujo de rayos gamma. Todos Los cúmulos pueden verse juntos, y si eso puede explicar la dispersión difusa de rayos gamma que se ve.

Para dar cuenta de esto, los autores observaron la distribución de grupos de muchas masas diferentes y encontraron que la mayor cantidad de rayos gamma procedían de grupos con masas entre 10¹³ y 10¹⁵ el doble de la masa del sol. Mirando todos estos grupos, y cómo están distribuidos en el cielo, los autores también tienen en cuenta su distancia de nosotros y de corrimiento al rojo Para encontrar el flujo total que esperaríamos ver en la Tierra. Sin embargo, también esperamos ver algunos rayos gamma interactuando con Luz de fondo extragaláctica (EBL) En su camino hacia nosotros y se pierden (esto se llama atenuación). El modelo de los autores tiene todo esto en cuenta, y el resultado se muestra en la Figura 2.

El diagrama de flujo de energía (la cantidad de energía por segundo por unidad de área) esperada en la Tierra versus energía. La potencia opera de 10^10 a 5 veces 10^14 voltios. En el diagrama hay un área rosa, que muestra el rango de modelos permitido. Esto es mayormente plano en energías de hasta 10 ^ 12 voltios, pero cae rápidamente después. Superpuestos hay puntos negros que muestran mediciones de rayos gamma de hasta 10^12 eV, que se superponen al modelo en algunos lugares. También hay 4 curvas que muestran la sensibilidad de 3 telescopios de rayos gamma diferentes, que es inferior al modelo en algunas energías. — **Figura 2:** Este gráfico muestra el caudal en función de la energía calculada en este modelo. La banda rosa muestra este modelo, mientras que los puntos negros muestran los datos medidos con Fermi lat. Las curvas azul, verde y roja muestran la sensibilidad de 3 telescopios diferentes a los rayos gamma actuales o entrantes, lo que significa que las corrientes por encima de estas líneas deberían ser visibles para esos telescopios. *Este es el panel derecho de la Figura 5 en el documento.*

Esta figura muestra el resultado más interesante de este artículo. ¡Los cúmulos podrían ser responsables de todo el flujo difuso de rayos gamma que vemos a altas energías!

En la figura, el flujo esperado del modelo puede estar en cualquier parte de la región rosa (esto forma un rango debido a un conjunto de posibles valores de algunas cantidades en el modelo). Los puntos negros muestran los rayos gamma dispersos medidos, que se encuentran dentro de la región rosa a energías superiores a 10¹¹ eV, lo que significa que los cúmulos de galaxias a estas energías pueden explicar todo el flujo difuso.

Las curvas roja y azul muestran la sensibilidad de los dos ( Conjunto de telescopios Cherenkov (CTA)Y el LHAASO) telescopios terrestres de rayos gamma, lo que significa que cualquier flujo por encima de estas curvas será visible para estos telescopios. LHAASO descubierto recientemente Se están construyendo varias fuentes de rayos gamma de muy alta energía, y CTA es un emocionante telescopio próximo. Esto significa que estos nuevos telescopios pueden estudiar los rayos gamma que provienen de los cúmulos y, si este modelo es correcto, ¡estos telescopios deberían ver una parte de la corriente difusa de rayos gamma que proviene de los cúmulos!

Esto es especialmente emocionante con los próximos telescopios de rayos gamma: al usarlos, los astrónomos pueden explorar la fuente de algunas de las partículas de energía más altas del universo. Al encontrar la fuente de estos rayos gamma, los astrónomos pueden aprender más sobre la naturaleza de sus fuentes y los procesos que ocurren dentro de ellas.

Astrobite Editado por Lenny Saade

Crédito de la imagen destacada: Figura 1 de este artículo

Acerca de Jesse Thwaites

Jesse es estudiante de doctorado en el Centro de Astrofísica de Partículas IceCube en Wisconsin, Universidad de Wisconsin-Madison. Las fuentes astrofísicas potenciales de neutrinos de alta energía se estudian a través de la astrofísica multimodal. Fuera de la física, toca la trompeta y disfruta pasar tiempo al aire libre, especialmente esquiar y andar en bicicleta.