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El experimento Fireball instalado en la zona de irradiación HiRadMat. Crédito: Gianluca Gregori |
Por primera vez en la historia, un grupo internacional de científicos logró crear “bolas de fuego de plasma” dentro de un laboratorio, utilizando el acelerador Super Proton Synchrotron del CERN en Ginebra. El experimento, liderado por investigadores de la Universidad de Oxford, marca un hito en la física moderna y ofrece nuevas pistas sobre uno de los enigmas más persistentes del cosmos: los campos magnéticos invisibles del Universo y la misteriosa ausencia de ciertos rayos gamma.
El estudio, publicado en la revista PNAS, abre una nueva etapa en la llamada astrofísica de laboratorio, una disciplina que busca recrear en la Tierra las condiciones extremas del espacio. “Nuestro trabajo demuestra cómo los experimentos controlados pueden conectar la teoría con la observación, y ayudarnos a comprender mejor los objetos astrofísicos observados desde telescopios y satélites”, explicó el profesor Gianluca Gregori, físico de la Universidad de Oxford y autor principal del estudio.
El experimento se diseñó para poner a prueba dos hipótesis sobre los blázares, galaxias activas con agujeros negros supermasivos que lanzan potentes chorros de partículas al espacio. Estos chorros producen rayos gamma de energía extremadamente alta (del orden de TeV) que, al viajar por el cosmos, generan pares de electrones y positrones. Según la teoría, esos pares deberían chocar con la radiación cósmica de fondo y emitir rayos gamma menos energéticos, en el rango de los GeV. Pero los telescopios, incluido el Fermi, no los detectan.
Los científicos habían propuesto dos explicaciones: o bien los campos magnéticos intergalácticos son tan débiles que desvían esos pares y redirigen los rayos gamma lejos de la Tierra, o bien los haces de electrones y positrones se vuelven inestables y pierden su energía antes de producir los rayos esperados.
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Simulación de un haz inicialmente uniforme de electrones y positrones interactuando con un plasma. A medida que el haz atraviesa el plasma de fondo, los positrones (rojos) se concentran, mientras que los electrones (azules) se dispersan para formar una nube circundante. Esto ilustra la física que subyace a la «inestabilidad de la filamentación de la corriente», que se cree que desempeña un papel clave en la propagación y la dinámica de los chorros cósmicos. La simulación se realizó con el código OSIRIS Particle-in-Cell y es una de las más grandes jamás realizadas para este tipo de interacciones entre haces y plasma. Crédito: Pablo J. Bilbao y Luís O. Silva (GoLP, Instituto Superior Técnico, Lisboa y Universidad de Oxford). |
Para resolverlo, el equipo utilizó las instalaciones HiRadMat del CERN y el Super Proton Synchrotron para generar y acelerar pares de electrones y positrones a través de un metro de plasma. Así crearon un modelo a escala de un chorro de blázar viajando por el espacio. Al analizar el comportamiento del haz y sus campos magnéticos asociados, los investigadores pudieron observar con precisión si se producían las inestabilidades previstas.
El resultado fue sorprendente. En lugar de dispersarse, el haz permaneció estrecho y estable, sin señales de campos magnéticos autogenerados. Escalando estos resultados a distancias cósmicas, el experimento sugiere que las inestabilidades de plasma no son lo suficientemente fuertes para explicar la falta de rayos gamma GeV. En cambio, los datos apoyan la hipótesis contraria: existe un campo magnético relicto que impregna el espacio intergaláctico y desvía las trayectorias de estas partículas antes de que lleguen a la Tierra.
“Estos experimentos muestran que podemos reproducir en laboratorio procesos relativistas que ocurren en el Universo”, comentó el profesor Bob Bingham, coautor del estudio y miembro de la Universidad de Strathclyde. “Esto nos permite entender mejor cómo se originan los campos magnéticos cósmicos y cómo evolucionan los chorros de partículas de alta energía”.
Aunque el hallazgo aclara una parte del rompecabezas, también abre una nueva pregunta: si el medio intergaláctico posee un campo magnético, ¿cómo se formó en un Universo que comenzó siendo casi perfectamente uniforme? La respuesta, sospechan los investigadores, podría requerir física más allá del Modelo Estándar.
El futuro Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) ofrecerá observaciones más precisas para comprobar estas hipótesis y continuar desentrañando los secretos magnéticos del cosmos. Por ahora, estas “bolas de fuego” creadas en laboratorio representan una ventana fascinante hacia los orígenes del magnetismo universal.
Fuentes, créditos y referencias: