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El Universo está lleno de partículas energéticas, como los rayos X, los rayos gamma y los neutrinos. Sin embargo, la mayoría de los orígenes de las partículas cósmicas de alta energía siguen sin explicarse.
Ahora, un equipo internacional de investigación ha propuesto un escenario que las explica; los agujeros negros con poca actividad actúan como grandes fábricas de partículas cósmicas de alta energía.
Los detalles de su investigación se han publicado en la revista Nature Communications.
Los rayos gamma son fotones de alta energía que son muchos órdenes de magnitud más energéticos que la luz visible. Los satélites espaciales han detectado rayos gamma cósmicos con energías de entre megaelectrones y gigaelectrones voltios.
Los neutrinos son partículas subatómicas cuya masa es casi nula. Rara vez interactúan con la materia ordinaria. Los investigadores del Observatorio de Neutrinos IceCube también han medido neutrinos cósmicos de alta energía.
Tanto los rayos gamma como los neutrinos deben ser creados por potentes aceleradores de rayos cósmicos o por entornos circundantes en el Universo. Sin embargo, sus orígenes siguen siendo desconocidos. En general, se cree que los agujeros negros supermasivos activos (los llamados núcleos galácticos activos), especialmente los que tienen potentes chorros, son los emisores más prometedores de rayos gamma y neutrinos de alta energía. Sin embargo, estudios recientes han revelado que no explican los rayos gamma y neutrinos observados, lo que sugiere que son necesarias otras clases de fuentes.
El nuevo modelo muestra que no solo los agujeros negros activos, sino también los no activos, los "suaves", son importantes y actúan como fábricas de rayos gamma y neutrinos.
Se espera que todas las galaxias contengan agujeros negros supermasivos en sus centros. Cuando la materia cae en un agujero negro, se libera una enorme cantidad de energía gravitatoria. Este proceso calienta el gas, formando un plasma de alta temperatura. La temperatura puede alcanzar hasta decenas de miles de millones de grados Celsius en el caso de los agujeros negros de baja acreción, debido a la ineficiente refrigeración, y el plasma puede generar rayos gamma en el rango de los megaelectrones voltios.
Este tipo de agujeros negros melosos son tenues como objetos individuales, pero son numerosos en el Universo. El equipo de investigación descubrió que los rayos gamma resultantes de los agujeros negros supermasivos de baja acreción pueden contribuir significativamente a los rayos gamma observados en el rango de los megaelectronvoltios.
En el plasma, los protones pueden acelerarse a energías aproximadamente 10.000 veces superiores a las que se alcanzan en el Gran Colisionador de Hadrones, el mayor acelerador de partículas fabricado por el hombre. Los protones acelerados producen neutrinos de alta energía a través de interacciones con la materia y la radiación, lo que puede explicar la parte de mayor energía de los datos de los neutrinos cósmicos. Esta imagen puede aplicarse a los agujeros negros activos, como han demostrado investigaciones anteriores. Los agujeros negros supermasivos, incluyendo los núcleos galácticos activos y no activos, pueden explicar una gran fracción de los neutrinos observados en IceCube en un amplio rango de energía.
Los futuros programas de observación multimensajero son cruciales para identificar el origen de las partículas cósmicas de alta energía. El escenario propuesto predice contrapartes de rayos gamma en el rango de voltios de megaelectrones para las fuentes de neutrinos. La mayoría de los detectores de rayos gamma existentes no están sintonizados para detectarlos; pero los futuros experimentos de rayos gamma, junto con los experimentos de neutrinos de próxima generación, podrán detectar las señales multimensajero.
Fuentes, créditos y referencias:
Soft gamma rays from low accreting supermassive black holes and connection to energetic neutrinos. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-25111-7
Imagen: Simulación de un agujero negro supermasivo. (NASA Goddard Space Flight Center; ESA/Gaia/DPAC)