Los rayos cósmicos no son rayos.

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Editorial del Sitio de Innovación Tecnológica – 26/12/2023

Partículas llamadas rayos que se comportan como rayos.

A principios del siglo pasado, el físico austriaco Victor Hess [1883-1964] Descubrió un nuevo fenómeno al que llamó rayos cósmicos, lo que le valió el Premio Nobel de Física en 1936.

Hess realizó vuelos en globo a gran altitud para descubrir que la atmósfera de la Tierra no estaba ionizada por la radiactividad del suelo. En cambio, confirmó que el origen de la ionización era extraterrestre.

Más tarde descubrió que los rayos cósmicos están formados por partículas cargadas que vienen del espacio y vuelan a una velocidad cercana a la de la luz; es decir, estos «rayos» no son radiación. Sin embargo, el nombre «rayos cósmicos» ha sobrevivido a estos descubrimientos, aunque «partículas cósmicas» sería un nombre más exacto.

Mohamad Shalaby y sus colegas del Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam, Alemania, llevaron a cabo simulaciones numéricas para rastrear las trayectorias de muchas partículas de rayos cósmicos y estudiar cómo interactúan con el plasma circundante, compuesto de electrones y protones. Al observar los rayos cósmicos que vuelan de un lado a otro de la simulación, descubrieron un nuevo fenómeno que excita ondas electromagnéticas en el plasma de fondo. Estas ondas ejercen una fuerza sobre los rayos cósmicos que modifica sus sinuosas trayectorias.

Sobre todo, este nuevo fenómeno se puede entender mejor si consideramos que los rayos cósmicos no se comportan como partículas individuales, sino como soporte de una onda electromagnética colectiva. Cuando esta onda interactúa con las ondas fundamentales del fondo, se amplifican fuertemente, lo que resulta en una transferencia de energía.

«Esta idea nos permite considerar los rayos cósmicos como radiación y no como partículas individuales en este contexto, tal como pensaba originalmente Victor Hess», comentó el profesor Christoph Pfrommer.

Simulación de rayos cósmicos circulando contra corriente sobre un plasma de fondo y excitando la inestabilidad del plasma. La distribución de las partículas de fondo que responden al flujo de rayos cósmicos en el espacio de fases está representada por la posición de las partículas (eje horizontal) y la velocidad (eje vertical).
[Imagem: Mohamad Shalaby et al. – 10.1017/S0022377823001289]

Comprender los procesos astrofísicos

Una buena analogía para este comportamiento recientemente descubierto es la de las moléculas de agua individuales que forman colectivamente una ola que rompe en la orilla. «Estos avances sólo ocurrieron cuando consideramos escalas más pequeñas que habían sido pasadas por alto y que pusieron en duda el uso de teorías hidrodinámicas efectivas en el estudio de procesos que involucran plasma», explicó Shalaby.

Hay muchas aplicaciones de esta inestabilidad del plasma, incluida una primera explicación de cómo los electrones en el plasma térmico interestelar pueden acelerarse a altas energías en los restos de supernova. «Esta inestabilidad del plasma recién descubierta representa un importante paso adelante en nuestra comprensión del proceso de aceleración y, en última instancia, explica por qué estos restos de supernova brillan en radio y rayos gamma», dijo Shalaby.

Además, este descubrimiento abre el camino a una comprensión más profunda de los procesos fundamentales del transporte de rayos cósmicos en las galaxias, lo que representa el mayor misterio en nuestra comprensión de los procesos que dan forma a las galaxias durante su evolución cósmica.

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