Se descubre evidencia de una radiación gamma de muy alta energía por parte de Eta Carinae

En la región de choque donde chocan los vientos estelares supersónicos de las dos estrellas, las partículas subatómicas se aceleran hasta tal punto que producen radiación gamma de muy alta energía. Ilustración: DESY, Laboratorio de Comunicación Científica.

Con un telescopio especializado en Namibia, un equipo de investigadores liderado por DESY ha demostrado un cierto tipo de estrella binaria como un nuevo tipo de fuente de radiación gamma cósmica de muy alta energía. Eta Carinae se encuentra a 7500 años luz de distancia en la constelación de Carina (la quilla del barco) en el Cielo del Sur y, según los datos recopilados, emite rayos gamma con energías de hasta 400 gigaelectronvoltios (GeV), unos 100 mil millones de veces más que La energía de la luz visible. El equipo encabezado por Stefan Ohm, Eva Leser y Matthias Füßling de DESY presenta sus hallazgos, realizados en el sistema estereoscópico de alta energía (HESS) del observatorio de rayos gamma, en la revista Astronomy & Astrophysics. Una animación multimedia especialmente creada explica el fenómeno. "Con tales visualizaciones queremos hacer tangible la fascinación de la investigación", enfatiza Christian Stegmann, Director de Física de Astropartículas de DESY. Eta Carinae es un sistema binario de superlativos, que consta de dos gigantes azules, una aproximadamente 100 veces, la otra de aproximadamente 30 veces la masa de nuestro sol. Las dos estrellas orbitan entre sí cada 5,5 años en órbitas elípticas muy excéntricas, su separación varía aproximadamente entre la distancia desde nuestro Sol a Marte y desde el Sol a Urano. Ambas gigantescas estrellas arrojan densos vientos estelares supersónicos de partículas cargadas hacia el espacio. En el proceso, el mayor de los dos pierde una masa equivalente a todo nuestro Sol en solo 5000 años más o menos. La más pequeña produce un viento estelar rápido que viaja a velocidades de alrededor de once millones de kilómetros por hora (aproximadamente el uno por ciento de la velocidad de la luz). 

Se forma un frente de choque enorme en la región donde chocan estos dos vientos estelares, calentando el material en el viento a temperaturas extremadamente altas. A alrededor de 50 millones de grados Celsius, esta materia irradia brillantemente en el rango de rayos X. Sin embargo, las partículas en el viento estelar no son lo suficientemente calientes como para emitir radiación gamma. "Sin embargo, las regiones de choque como esta son típicamente sitios donde las partículas subatómicas son aceleradas por fuertes campos electromagnéticos predominantes", explica Ohm, quien es el jefe del grupo HESS en DESY. Cuando las partículas se aceleran tan rápido, también pueden emitir radiación gamma. De hecho, los satélites "Fermi", operados por la agencia espacial estadounidense NASA, y AGILE, perteneciente a la agencia espacial italiana ASI, ya detectaron rayos gamma de alta energía de aproximadamente 10 GeV provenientes de Eta Carinae en 2009. 

Granizo subatómico 

"Se han propuesto diferentes modelos para explicar cómo se produce esta radiación gamma", informa Füßling. "Podría ser generado por electrones acelerados o por núcleos atómicos de alta energía". Es crucial determinar cuál de estos dos escenarios es correcto: los núcleos atómicos muy enérgicos representan la mayor parte de los llamados Rayos Cósmicos, una granizada cósmica subatómica que golpea la Tierra constantemente desde todas las direcciones. A pesar de una intensa investigación durante más de 100 años, las fuentes de los Rayos Cósmicos aún no se conocen exhaustivamente. Dado que los núcleos atómicos cargados eléctricamente son desviados por los campos magnéticos cósmicos a medida que viajan a través del universo, la dirección desde la cual llegan a la Tierra ya no apunta a su origen. Los rayos gamma cósmicos, por otro lado, no se desvían. Entonces, si se puede demostrar que los rayos gamma emitidos por una fuente específica se originan a partir de núcleos atómicos de alta energía, se habrá identificado uno de los aceleradores largamente buscados de la radiación de partículas cósmicas. 

"En el caso de Eta Carinae, a los electrones les resulta particularmente difícil acelerar a altas energías, porque los campos magnéticos los desvían constantemente durante su aceleración, lo que les hace perder energía nuevamente", dice Leser. "La radiación gamma de muy alta energía comienza por encima del rango de 100 GeV, que es bastante difícil de explicar en Eta Carinae para provenir de la aceleración de electrones". Los datos de satélite ya indicaron que Eta Carinae también emite radiación gamma más allá de 100 GeV, y HESS ahora ha logrado detectar dicha radiación hasta energías de 400 GeV en el momento del encuentro cercano de los dos gigantes azules en 2014 y 2015. Esto hace que La estrella binaria es el primer ejemplo conocido de una fuente en la que la radiación gamma de muy alta energía es generada por colisiones de vientos estelares. 

La radiación gamma de muy alta energía (VHE) de Eta Carinae se pudo detectar con HESS en el momento del próximo encuentro de las dos estrellas gigantes. Ilustración: DESY, Laboratorio de Comunicación Científica.

"El análisis de las mediciones de radiación gamma tomadas por HESS y los satélites muestra que la radiación se puede interpretar mejor como el producto de núcleos atómicos acelerados rápidamente", dice el estudiante de doctorado de DESY, Ruslan Konno, quien ha publicado un estudio complementario, junto con científicos de Instituto Max Planck de Física Nuclear en Heidelberg. "Esto haría que las regiones de choque de los vientos estelares en colisión sean un nuevo tipo de acelerador de partículas naturales para los rayos cósmicos". Con HESS, que lleva el nombre del descubridor de Rayos Cósmicos, Victor Franz Hess, y el próximo Cherenkov Telescope Array (CTA), el observatorio de rayos gamma de próxima generación que se está construyendo actualmente en las tierras altas de Chile, los científicos esperan investigar este fenómeno con mayor detalle y descubra más fuentes de este tipo. 

Viaje cósmico 

Gracias a observaciones detalladas de Eta Carinae en todas las longitudes de onda, las propiedades de las estrellas, sus órbitas y vientos estelares se han determinado con relativa precisión. Esto les ha dado a los astrofísicos una mejor imagen del sistema estelar binario y su historia. Para ilustrar las nuevas observaciones de Eta Carinae, los astrofísicos DESY han producido un video de animación junto con los especialistas en animación del galardonado Science Communication Lab. Las imágenes generadas por computadora están cerca de la realidad porque los parámetros orbitales, estelares y de viento medidos se usaron para este propósito. El artista multimedia internacionalmente aclamado Carsten Nicolai, que utiliza el seudónimo Alva Noto para sus obras musicales, creó el sonido para la animación. 

"Encuentro que la ciencia y la investigación científica son extremadamente importantes", dice Nicolai, quien ve estrechos paralelos en el trabajo creativo de artistas y científicos. Para él, el atractivo de este trabajo también radica en la mediación artística de los resultados de la investigación científica: "particularmente el hecho de que no es una banda sonora de película, sino que tiene una referencia genuina a la realidad", enfatiza el músico y artista. Junto con el sonido compuesto exclusivamente, esta colaboración única de científicos, artistas de animación y músicos ha dado como resultado un trabajo multimedia que lleva a los espectadores en un viaje extraordinario a una estrella doble superlativa a unos 7500 años luz de distancia. 

Animación: DESY, Laboratorio de Comunicación Científica; Sonido de Alva Noto.

Referencia:

Detección de emisión de rayos γ de muy alta energía del viento binario que choca η Car con HESS; Colaboración HESS (para DESY: Matthias Füßling, Eva Leser, Stefan Ohm); Astronomía y Astrofísica , 2020; DOI: 10.1051 / 0004-6361 / 201936761

Restricciones de rayos gamma y rayos X en procesos no térmicos en η Carinae; R. White, M. Breuhaus, R. Konno, S. Ohm, B. Reville y JA Hinton; Astronomía y Astrofísica , 2020; DOI: 10.1051 / 0004-6361 / 201937031

Fuente: Deutsches Elektronen-Synchrotron Desy,