En octubre de 2021, los detectores del Telescope Array Project en el desierto de Utah captaron algo que los físicos llevan décadas buscando y temiendo al mismo tiempo: una partícula procedente del espacio exterior con una energía tan brutal que no debería poder existir, al menos no según las leyes de la física que conocemos. La llamaron partícula Amaterasu, en honor a la diosa del sol en la mitología japonesa. Y cuando los astrofísicos trazaron su trayectoria para intentar identificar su origen, llegaron a una conclusión desconcertante: apuntaba directamente al Vacío Local, una región casi completamente vacía del cosmos, sin ninguna fuente conocida capaz de generar tanta energía. Tres años después, un equipo de Penn State propone una respuesta.
Qué son los rayos cósmicos de ultra alta energía — y por qué son un misterio
Los rayos cósmicos son partículas subatómicas —principalmente protones y núcleos atómicos— que viajan por el espacio a velocidades cercanas a la de la luz y que impactan constantemente contra la atmósfera terrestre. La mayoría tienen energías moderadas y provienen de fuentes bien conocidas dentro de nuestra galaxia: remanentes de supernovas, pulsares, agujeros negros estelares.
Pero existe una categoría aparte: los rayos cósmicos de ultra alta energía (UHECR, por sus siglas en inglés), partículas con energías tan extremas que superan todo lo que pueden producir los aceleradores de partículas más potentes construidos por la humanidad. Incluyendo el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. El problema con estas partículas es doble: nadie sabe exactamente de dónde vienen, y según la teoría estándar, no deberían poder viajar distancias intergalácticas sin perder energía al interactuar con la radiación de fondo del universo.
La partícula Amaterasu y la paradoja del vacío
La partícula Amaterasu es comparable en energía al llamado ‘Oh-My-God particle’, detectado en 1991 y considerado durante décadas el evento de rayo cósmico más energético jamás registrado. Cuando los físicos rastrearon la dirección de llegada de Amaterasu para identificar su fuente, el resultado fue frustrante: la trayectoria apuntaba al Vacío Local, una región del espacio intergaláctico donde la densidad de galaxias y objetos cósmicos es extremadamente baja. No hay ahí ningún objeto conocido capaz de acelerar partículas a esa energía.
Eso dejó dos posibilidades incómodas: o la partícula provenía de algún lugar más lejano y su trayectoria fue desviada por campos magnéticos intergalácticos —lo que haría casi imposible identificar su origen— o hay algo fundamentalmente malo en nuestra comprensión de estas partículas.
La hipótesis de Penn State: núcleos más pesados que el hierro
El estudio de Penn State, liderado por Kohta Murase, profesor de Física y Astronomía del Eberly College of Science, introduce una tercera posibilidad que hasta ahora no había sido considerada seriamente: que estas partículas de ultra alta energía no sean protones ni núcleos ligeros, sino núcleos atómicos ultrapesados —más pesados que el hierro— producidos en eventos cósmicos extremos.
Tal como reporta SciTechDaily en su cobertura del estudio, los cálculos del equipo muestran que los núcleos ultrapesados tienen una propiedad crucial: pierden energía mucho más lentamente que los protones o los núcleos ligeros al viajar por el espacio intergaláctico. Eso significa que pueden cruzar distancias enormes y llegar a la Tierra con energías extremas sin necesitar una fuente cercana. «Nuestra investigación mostró que, a energías comparables a las de la partícula Amaterasu, los núcleos ultrapesados pierden energía más lentamente que los protones o los núcleos de masa intermedia, lo que los hace más capaces de sobrevivir a distancias cósmicas», explicó Murase.
De dónde vendrían: fusiones de estrellas de neutrones y colapsos estelares
Si los rayos cósmicos de ultra alta energía son realmente núcleos ultrapesados, eso tiene implicaciones directas sobre qué tipo de eventos cósmicos pueden producirlos. Los candidatos más probables identificados por el equipo son dos de los fenómenos más violentos del universo: el colapso explosivo de estrellas masivas en agujeros negros o en estrellas de neutrones fuertemente magnetizadas, y las fusiones de binarias de estrellas de neutrones —los mismos eventos que generan ondas gravitacionales detectables por observatorios como LIGO.
Estos entornos son conocidos por sintetizar elementos muy pesados a través del proceso r (rapid neutron capture), que produce núcleos de alta masa. Si también pueden acelerar esos núcleos a energías extremas antes de expulsarlos al espacio intergaláctico, tendrían todos los ingredientes para explicar la partícula Amaterasu sin necesitar una fuente en el Vacío Local.
Cómo verificarlo: AugerPrime y el futuro de la detección
La hipótesis es verificable. Murase señala que si los núcleos ultrapesados contribuyen significativamente a los eventos de mayor energía, los datos futuros deberían mostrar una composición más pesada que el hierro en el extremo superior del espectro de energías. El proyecto AugerPrime en Argentina, una mejora del Observatorio Pierre Auger, y el propuesto Global Cosmic Ray Observatory están diseñados precisamente para medir la composición de estos rayos cósmicos con mayor precisión. Si la hipótesis de Penn State es correcta, sus detectores deberían confirmarlo en los próximos años.
