Rayo cósmico de ultra alta energía

El Observatorio Pierre Auger es un observatorio internacional de rayos cósmicos diseñado para detectar partículas de rayos cósmicos de ultra alta energía (con energías superiores a 10²⁰ ^eV  ). Estas partículas de alta energía tienen una tasa de llegada estimada de tan solo 1 por kilómetro cuadrado por siglo; por lo tanto, para registrar un gran número de estos eventos, el Observatorio Auger ha creado un área de detección de 3000 ^km²  ( el tamaño de Rhode Island ) en la provincia de Mendoza , al oeste de Argentina . El Observatorio Pierre Auger, además de obtener información direccional del conjunto de tanques Cherenkov de agua utilizados para observar los componentes de la lluvia de rayos cósmicos, también cuenta con cuatro telescopios apuntando al cielo nocturno para observar la fluorescencia de las moléculas de nitrógeno a medida que las partículas de la lluvia atraviesan el cielo, lo que proporciona información direccional adicional sobre la partícula de rayo cósmico original.

En septiembre de 2017, los datos de 12 años de observaciones del PAO respaldaron una fuente extragaláctica (fuera de la galaxia de la Tierra) para el origen de los rayos cósmicos de energía extremadamente alta. ^{[ 7 ]}

Una fuente sugerida de partículas UHECR es su origen en estrellas de neutrones . En estrellas de neutrones jóvenes con periodos de rotación inferiores a 10  ms, las fuerzas magnetohidrodinámicas (MHD) del fluido cuasineutral de protones y electrones superconductores que existen en un superfluido de neutrones aceleran los núcleos de hierro a velocidades UHECR. El superfluido de neutrones en estrellas de rápida rotación crea un campo magnético de 10⁸ ^a 10¹¹ ^teslas , momento en el que la estrella de neutrones se clasifica como magnetar . Este campo magnético es el campo estable más fuerte del universo observado y crea el viento MHD relativista que se cree que acelera los núcleos de hierro remanentes de la supernova hasta la energía necesaria.

Otra fuente hipotética de UHECR proveniente de estrellas de neutrones es durante la combustión de una estrella de neutrones en una estrella extraña . Esta hipótesis se basa en la suposición de que la materia extraña es el estado fundamental de la materia, pero no tiene datos experimentales u observacionales que la respalden. Debido a las inmensas presiones gravitacionales de la estrella de neutrones, se cree que pequeñas bolsas de materia que consisten en quarks up , down y strange en equilibrio actúan como un solo hadrón (en contraposición a una cantidad de Σ ⁰bariones ). Esto hará que la estrella entera se convierta en materia extraña, momento en el que la estrella de neutrones se transforma en una estrella extraña y su campo magnético se rompe porque los protones y neutrones en el fluido cuasineutral se han convertido en strangelets . Esta ruptura del campo magnético libera ondas electromagnéticas de gran amplitud (LAEMW). Las LAEMW aceleran los remanentes de iones ligeros de la supernova a energías UHECR.

Los " electrones de rayos cósmicos de ultra alta energía " (definidos como electrones con energías de ≥10¹⁴ ^eV ) podrían explicarse por el mecanismo centrífugo de aceleración en las magnetosferas de los púlsares tipo Cangrejo . ^{[ 8 ]} La viabilidad de la aceleración de electrones a esta escala de energía en la magnetosfera del Púlsar del Cangrejo está respaldada por la observación de 2019 de rayos gamma de ultra alta energía provenientes de la Nebulosa del Cangrejo , un púlsar joven con un período de rotación de 33 ms. ^{[ 9 ]} 

Las interacciones con la radiación cósmica de fondo de microondas desplazada hacia el azul limitan la distancia que estas partículas pueden recorrer antes de perder energía; esto se conoce como el límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin o límite GZK.

Los resultados del Observatorio Pierre Auger muestran que las direcciones de llegada de rayos cósmicos de ultra alta energía parecen estar correlacionadas con agujeros negros supermasivos extragalácticos en el centro de galaxias cercanas, denominados núcleos galácticos activos (AGN) . ^{[ 10 ]} Sin embargo, dado que la escala de correlación angular utilizada es bastante grande (3,1°), estos resultados no identifican inequívocamente los orígenes de dichas partículas de rayos cósmicos. El AGN podría estar simplemente estrechamente asociado con las fuentes reales, por ejemplo, en galaxias u otros objetos astrofísicos que se agrupan con materia a grandes escalas dentro de 100 megaparsecs . ^{[ 11 ]}

Una hipótesis sugiere que estos rayos cósmicos son partículas aceleradas por campos electromagnéticos generados por el giro del agujero negro, ^{[ 12 ]} sin embargo, otros estudios muestran que la energía final de dichas partículas sería limitada ya que emiten radiación gamma en el campo gravitatorio de alta curvatura del agujero negro. ^{[ 13 ]}

Las galaxias Seyfert intermitentes de baja luminosidad pueden cumplir los requisitos con la formación de un acelerador lineal a varios años luz del núcleo, pero dentro de sus toros iónicos extendidos cuya radiación UV asegura un suministro de contaminantes iónicos. ^{[ 14 ]} Los campos eléctricos correspondientes son pequeños, del orden de 10 V/cm, por lo que los UHECR observados son indicativos del tamaño astronómico de la fuente. Las estadísticas mejoradas del Observatorio Pierre Auger serán fundamentales para identificar la asociación actualmente tentativa de UHECR (del Universo Local) con Seyfert y LINER . ^{[ 15 ]}

Además de las estrellas de neutrones y los núcleos galácticos activos, las mejores fuentes candidatas de UHECR son: ^{[ 2 ]}

• restos de supernova
• choques intergalácticos creados durante la época de formación de galaxias
• estallidos de rayos gamma ^{[ 16 ] [ 17 ]}
• supernovas relativistas ^{[ 18 ]}

Se plantea la hipótesis de que los núcleos galácticos activos son capaces de convertir la materia oscura en protones de alta energía. Yuri Pavlov y Andrey Grib, del Laboratorio Alexander Friedmann de Física Teórica en San Petersburgo, plantean la hipótesis de que las partículas de materia oscura son aproximadamente 15 veces más pesadas que los protones y que pueden desintegrarse en pares de partículas virtuales más pesadas de un tipo que interactúa con la materia ordinaria. ^{[ 19 ]} Cerca de un núcleo galáctico activo, una de estas partículas puede caer en el agujero negro, mientras que la otra escapa, como describe el proceso de Penrose . Algunas de esas partículas colisionarán con partículas entrantes; estas son colisiones de muy alta energía que, según Pavlov, pueden formar protones visibles ordinarios con muy alta energía. Pavlov afirma entonces que la evidencia de tales procesos son las partículas de rayos cósmicos de ultra alta energía. ^{[ 20 ]}