La nebulosa del Cangrejo emite algunos de los rayos gamma de mayor energía jamás vistos

 

La nebulosa del Cangrejo emite algunos de los rayos gamma de mayor energía jamás vistos
La increíble nebulosa del Cangrejo

NASA/ESA/JPL/Universidad Estatal de Arizona

Emisión de rayos gamma PeV de la nebulosa del Cangrejo

La nebulosa del Cangrejo es una brillante fuente de rayos gamma alimentada por la energía rotacional del púlsar del Cangrejo, mediante la formación y terminación de un viento relativista de electrones y positrones. Se ha detectado una fuente de rayos gamma con energías que van de 5 × 10-4 a 1,1 petaelectronvoltios (PeV), con un espectro que muestra una inclinación gradual a lo largo de tres décadas de energía. Los fotones de energía ultra alta implican la presencia de un acelerador de electrones PeV (un pevatrón) en la nebulosa, con una tasa de aceleración que supera el 15% del límite teórico. El tamaño del pevatrón se sitúa entre 0,025 y 0,1 pc, y el campo magnético ≈110 μG. La tasa de producción de electrones PeV, 2,5 × 1036 erg s-1, constituye el 0,5% de la luminosidad de giro del púlsar, aunque no podemos excluir una contribución de protones PeV a la producción de los rayos γ de mayor energía.

El "Large High Altitude Air Shower Observatory" (LHAASO), una de las principales instalaciones nacionales de ciencia y tecnología de China, ha medido con precisión el brillo de más de 3,5 órdenes de magnitud de la vela estándar en astronomía de alta energía, calibrando así un nuevo estándar para las fuentes de rayos gamma de ultra alta energía (UHE). La vela estándar es la famosa nebulosa del Cangrejo, que evolucionó a partir de la "estrella invitada" registrada por los astrónomos imperiales de la dinastía Song de China.

LHAASO también ha descubierto un fotón con una energía de 1,1 PeV (1 PeV = un cuatrillón de electronvoltios), lo que indica la presencia de un acelerador de electrones extremadamente potente -aproximadamente una décima parte del tamaño del sistema solar- situado en la región del núcleo de la nebulosa del Cangrejo. El acelerador puede energizar los electrones hasta un nivel 20.000 veces superior al que jamás podrá alcanzar el Gran Colisionador de Electrones-Positrones (LEP) del CERN, acercándose así al límite teórico absoluto planteado por la electrodinámica clásica y la magnetohidrodinámica ideal.

Los resultados se publicarán en Science el 8 de julio. La Colaboración Internacional LHAASO, dirigida por el Instituto de Física de Altas Energías de la Academia China de Ciencias, ha realizado este estudio.

La nebulosa del Cangrejo se encuentra a 6.500 años luz de la Tierra. Nació en una brillante explosión de supernova en el año 1054. Es el primer remanente de supernova identificado por la astronomía moderna con un registro histórico claro. La nebulosa alberga un púlsar energético con un periodo de 30 milisegundos. La magnetosfera del púlsar, que gira rápidamente, impulsa un potente viento compuesto por pares de electrones y positrones que se mueven casi a la velocidad de la luz. Los electrones/positrones del viento del púlsar se aceleran aún más hasta alcanzar mayores energías una vez que el viento se encuentra con el medio ambiente. La nebulosa se produce por la radiación de los electrones/positrones acelerados.

La nebulosa del Cangrejo es una de las pocas fuentes que se han medido en todas las bandas de energía, es decir, radio, infrarrojo, óptico, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Su espectro ha sido ampliamente estudiado durante décadas por muchos observadores. Como fuente brillante y estable de alta energía, la nebulosa del Cangrejo se considera la vela estándar para muchas bandas de energía diferentes. En esta capacidad, sirve de referencia para la medición de otras fuentes.

LHAASO ha medido el espectro de la Nebulosa del Cangrejo en el extremo de mayor energía, cubriendo el amplio rango de 0,0005-1,1 PeV. Ha confirmado las mediciones de las últimas décadas. También ha logrado una medición precisa en la banda UHE (0,3-1,1 PeV) por primera vez, calibrando así el brillo de la vela estándar en un rango de energía sin precedentes.

Entre las 12 fuentes de rayos gamma UHE descubiertas anteriormente por LHAASO, la nebulosa del Cangrejo fue identificada como una de las dos fuentes capaces de emitir fotones PeV, y es la única fuente con una contrapartida astrofísica definida. El fotón de 1,1 PeV medido proporciona pruebas directas de la aceleración de electrones de 2,3 PeV en la fuente. Tal energía es unas 20.000 veces la energía máxima alcanzable del acelerador de electrones más potente hecho por el hombre, el LEP, que es el predecesor del LHC. Dado que los electrones de alta energía sufren una fuerte pérdida de energía en un campo magnético, el acelerador de la Nebulosa del Cangrejo debe funcionar con una eficiencia increíblemente alta para equilibrar la enorme pérdida de energía. Según la medición de LHAASO, su eficiencia de aceleración puede alcanzar el 15% del límite superior teórico, superando así la de la onda expansiva de la supernova por un factor de 1.000. Esto supone un reto para el paradigma estándar de la aceleración de electrones en la astrofísica de altas energías. En el presente artículo de Science se detalla un análisis y una discusión en profundidad sobre este tema.

LHAASO es una importante instalación nacional de infraestructura científica y tecnológica centrada en la observación e investigación de los rayos cósmicos. Está situada a 4.410 metros sobre el nivel del mar en el monte Haizi, en el condado de Daocheng, provincia de Sichuan, y tiene una superficie de unos 1,36 km2. Está compuesto por 5.195 detectores de partículas electromagnéticas y 1.188 detectores de muones ubicados en el conjunto del complejo de un kilómetro cuadrado, un conjunto de detectores Cherenkov de agua de 78.000 m2 y 18 telescopios Cherenkov de gran campo de visión. Gracias a estas cuatro técnicas, LHAASO podrá medir las lluvias de aire generadas por los rayos cósmicos o los rayos gamma de forma omnidireccional y con múltiples variables simultáneamente.

A través de la reconstrucción de las duchas se podrá medir información básica sobre las partículas incidentes, como la dirección de llegada, el tipo y la energía. El nuevo descubrimiento publicado demuestra que LHAASO es capaz de realizar mediciones cruzadas utilizando múltiples técnicas de detección, asegurando así resultados fiables y precisos. LHAASO se completará este mes y se pondrá en funcionamiento. Con la expectativa de detectar 1-2 fotones con energías en torno a 1 PeV procedentes de la Nebulosa del Cangrejo cada año, el rompecabezas del acelerador cósmico de electrones PeV se desvelará en los próximos años. 


Fuentes, créditos y referencias:

 Más información: Z. Cao el al., "PeV gamma-ray emission from the Crab Nebula", Science (2021). science.sciencemag.org/lookup/ ... 1126/science.abg5137
Información de la revista: Science

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