El nuevo modelo conecta los orígenes de neutrinos de muy alta energía, rayos cósmicos de ultra alta energía y rayos gamma de alta energía con chorros de agujeros negros incrustados en sus entornos.
Uno de los mayores misterios en la física de astropartículas ha sido el origen de los rayos cósmicos de ultra alta energía, los neutrinos de muy alta energía y los rayos gamma de alta energía. Ahora, un nuevo modelo teórico revela que todos podrían ser disparados al espaciodespués de que los rayos cósmicos son acelerados por poderosos chorros de agujeros negros supermasivos.
El modelo explica los orígenes naturales de los tres tipos de partículas de "mensajero cósmico" simultáneamente, y es el primer modelo astrofísico de su tipo basado en cálculos numéricos detallados. Un artículo científico que describe este modelo, producido por Penn State y la Universidad deLos científicos de Maryland, se publicarán como una publicación anticipada en línea en el sitio web de la revista Física de la naturaleza el 22 de enero de 2018.
"Nuestro modelo muestra una manera de entender por qué estos tres tipos de partículas mensajeras cósmicas tienen una cantidad sorprendentemente similar de entrada de energía en el universo, a pesar del hecho de que son observados por detectores espaciales y terrestres en más de diez órdenes demagnitud en la energía de partículas individuales ", dijo Kohta Murase, profesor asistente de física y astronomía y astrofísica en Penn State." El hecho de que las intensidades medidas de neutrinos de muy alta energía, rayos cósmicos de ultra alta energía y rayos gamma de alta energía sonmás o menos comparables nos tentaron a preguntarnos si estas partículas extremadamente energéticas tienen algunas conexiones físicas. El nuevo modelo sugiere que los neutrinos de muy alta energía y los rayos gamma de alta energía se producen naturalmente a través de colisiones de partículas como partículas hijas de los rayos cósmicos, y por lo tanto pueden heredar elpresupuesto de energía comparable de sus partículas progenitoras. Demuestra que la energía similar de los tres mensajeros cósmicos puede no ser una mera coincidencia ".
Los rayos cósmicos de ultra alta energía son las partículas más energéticas del universo, cada uno de ellos transporta una energía que es demasiado alta para ser producida incluso por el Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más poderoso del mundo. Los neutrinos son misteriosos ypartículas fantasmales que casi nunca interactúan con la materia. Se han detectado neutrinos de muy alta energía, con energía de más de un millón de megavoltios electrónicos, en el observatorio de neutrinos IceCube en la Antártida. Los rayos gamma tienen la energía electromagnética más alta conocida, aquellos con energíasEl telescopio espacial de rayos gamma Fermi y otros observatorios terrestres han observado más de mil millones de veces más que un fotón de luz visible. "La combinación de toda la información sobre estos tres tipos de mensajeros cósmicos es complementaria y relevante, y unenfoque de mensajero se ha vuelto extremadamente poderoso en los últimos años ", dijo Murase.
Murase y el primer autor de este nuevo artículo, Ke Fang, un asociado postdoctoral en la Universidad de Maryland, intentan explicar los últimos datos de mensajería múltiple de neutrinos de muy alta energía, rayos cósmicos de alta energía y alta energíarayos gamma, basados en una configuración astrofísica única pero realista. Descubrieron que los datos de múltiples mensajeros pueden explicarse bien utilizando simulaciones numéricas para analizar el destino de estas partículas cargadas.
"En nuestro modelo, los rayos cósmicos acelerados por potentes chorros de núcleos galácticos activos escapan a través de los lóbulos de radio que a menudo se encuentran al final de los chorros", dijo Fang. "Luego calculamos la propagación e interacción de los rayos cósmicos dentro de la galaxiagrupos y grupos en presencia de su campo magnético ambiental. Simulamos aún más la propagación de rayos cósmicos y la interacción en los campos magnéticos intergalácticos entre la fuente y la Tierra. Finalmente integramos las contribuciones de todas las fuentes en el universo ".
Los principales sospechosos en el misterio de medio siglo del origen de las partículas cósmicas de mayor energía en el universo estaban en galaxias llamadas "núcleos galácticos activos", que tienen una región central superradiante alrededor del agujero negro supermasivo central.Algunos núcleos galácticos activos están acompañados por potentes chorros relativistas. Las partículas cósmicas de alta energía que generan los chorros o sus entornos son disparadas al espacio casi tan rápido como la velocidad de la luz.
"Nuestro trabajo demuestra que los rayos cósmicos de ultraalta energía que escapan de los núcleos galácticos activos y sus entornos, como los cúmulos y grupos de galaxias, pueden explicar el espectro y la composición de los rayos cósmicos de ultraalta energía. También puede explicar algunos de los fenómenos inexplicablesdescubierto por experimentos terrestres ", dijo Fang." Simultáneamente, el espectro de neutrinos de muy alta energía por encima de cien millones de megavoltios electrónicos puede explicarse por colisiones de partículas entre los rayos cósmicos y el gas en grupos y grupos de galaxias.La emisión de rayos gamma proveniente de los cúmulos de galaxias y el espacio intergaláctico coincide con la parte inexplicable del fondo difuso de rayos gamma de alta energía que no está asociado con un tipo particular de núcleo galáctico activo ".
"Este modelo allana el camino para nuevos intentos de establecer un modelo unificado de cómo estos tres mensajeros cósmicos están físicamente conectados entre sí por la misma clase de fuentes astrofísicas y los mecanismos comunes de neutrinos y gamma de alta energíaproducción de rayos ", dijo Murase." Sin embargo, también hay otras posibilidades, y es necesario explicar varios misterios nuevos, incluidos los datos de neutrinos en el rango de diez millones de megavoltios electrónicos registrados por el observatorio de neutrinos IceCube en la Antártida. Por lo tanto,nuevas investigaciones basadas en enfoques de mensajería múltiple, que combinan la teoría con los tres datos de mensajería, son cruciales para probar nuestro modelo ".
Se espera que el nuevo modelo motive los estudios de cúmulos y grupos de galaxias, así como el desarrollo de otros modelos unificados de partículas cósmicas de alta energía. Se espera que se pruebe rigurosamente cuando comiencen las observaciones con la próxima generación de neutrinosdetectores como IceCube-Gen2 y KM3Net, y el telescopio de rayos gamma de próxima generación, Cherenkov Telescope Array.
"La era dorada de la astrofísica de partículas de mensajería múltiple comenzó muy recientemente", dijo Murase. "Ahora, toda la información que podemos aprender de todos los diferentes tipos de mensajeros cósmicos es importante para revelar nuevos conocimientos sobre la física de las partículas cósmicas de energía extremay una comprensión más profunda sobre nuestro universo "
La investigación fue parcialmente apoyada por la National Science Foundation subvención Nº PHY-1620777 y la Fundación Alfred P. Sloan.
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Materiales proporcionado por Estado Penn . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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