image: This is a 3-color X-ray image of the supernova remmant Cassiopeia A. view more
Credit: NASA
Casiopeia A es un resto o remanente de supernova, es decir, la estructura nebulosa que resulta de la gigantesca explosión de una estrella como supernova hace unos 350 años. Aunque fue descubierta hace 50 años gracias a su emisión de ondas de radio, ahora sabemos que su radiación puede observarse prácticamente en todas las longitudes de onda, desde radio a rayos gamma de alta energía. Es, además, uno de los pocos remanentes de supernova de los que se conoce su nacimiento y tipo. Se trata de una IIb, resultado del colapso de una estrella muy masiva. Estos datos hacen de Casiopeia A uno de los objetos más interesantes y estudiados del cielo, sobre todo en relación al origen de los rayos cósmicos, partículas subatómicas que llenan nuestra galaxia con energías mayores de las que se pueden alcanzar en los laboratorios en la Tierra.
En el espectro electromagnético de Casiopeia A, la parte de muy alta energía es el resultado de los rayos cósmicos (electrones o protones) dentro del remanente de supernova. Hasta ahora, este rango de energía no se había podido medir con precisión para definir su origen ya que son necesarias largas observaciones por encima de 1 teraelectronvoltio (TeV). Un equipo internacional liderado por investigadores del Instituto de Ciencias del Espacio, del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), el Institut de Física d'Altes Energies y el Instituto de Ciencias del Cosmos ha logrado llevar a cabo esas observaciones con los telescopios MAGIC (siglas de Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope).
En total, entre diciembre de 2014 y octubre de 2016, se registraron cerca de 160 horas de datos que demostraron que Casiopeia A es un acelerador de partículas masivas, en su mayoría núcleos de hidrógeno (protones). Sin embargo, aunque este resto de supernova es capaz de acelerar partículas hasta 100 veces más que los aceleradores de partículas en la Tierra, como el gran colisionador de hadrones LHC en el CERN, el estudio publicado en la revista MNRAS señala sus limitaciones, pues esta aceleración no es suficiente como para explicar el mar de rayos cósmicos que llena la Galaxia.
'PeVatron'
Casiopeia A tenía todos los ingredientes para ser un 'PeVatron', un objeto capaz de acelerar rayos cósmicos hasta los PeV (1 PeV = 1.000 TeV): es joven, brillante, está expandiéndose a gran velocidad y produce, según lo que sabemos hasta el momento, campos magnéticos suficientemente altos para acelerar rayos cósmicos, de al menos hasta 100 o 200 teraelectronvoltios, explica Emma de Oña Wilhelmi, investigadora del CSIC en el Instituto de Ciencias del Espacio.
Pero hemos observado que, aunque Casiopeia A tiene un alto campo magnético, es extremadamente ineficiente acelerando partículas a las energías más altas, ni electrones ni protones. La radiación cae exponencialmente cuando llega a unos pocos teraelectronvoltios. Esto podría deberse a que el remanente de supernova no es capaz de acelerar más, lo cual cuestiona nuestro conocimiento actual sobre aceleración de partículas en ondas de choques, o que las partículas a las más altas energías se han escapado y han abandonado el sistema, dejando sólo las más lentas, señala Daniel Guberman, del Institut de Física d'Altes Energies.
Estas supernovas son aceleradores de partículas naturales, en las que podemos estudiar cómo se comportan las partículas cargadas y el plasma en condiciones que no son reproducibles en la Tierra, añade Daniel Galindo, que trabaja en Instituto de Ciencias del Cosmos. Entender el origen del espectro de rayos cósmicos contribuye a comprender el origen y evolución de nuestra galaxia, concluye Razmik Mirzoyan, portavoz de MAGIC e investigador del Max Planck Institute for Physics en Munich (Alemania).
Telescopios MAGIC
Los telescopios de rayos gamma de muy alta energía MAGIC están situados en el Observatorio del Roque de los Muchachos, en La Palma (islas Canarias). MAGIC consta de dos telescopios Cherenkov de 17 metros de diámetro y es, actualmente, uno de los tres principales instrumentos atmosféricos Cherenkov en el mundo. Está diseñado para detectar rayos gamma de decenas de miles de millones a decenas de billones de veces más energéticos que la luz visible. Además, MAGIC emplea una técnica novedosa para reducir el efecto de la luz lunar en las cámaras, permitiendo a los investigadores utilizarlas en noches que no son completamente oscuras.
La construcción y explotación científica de MAGIC es el fruto de una gran colaboración internacional en la que participan cerca de 160 investigadores de España, Alemania, Italia, Suiza, Polonia, Finlandia, Bulgaria, Croacia, India, Japón, Armenia y Brasil.
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