El observatorio LHAASO apunta a los agujeros negros como el origen de la «rodilla» de los rayos cósmicos
Las mediciones ultraprecisas del observatorio chino LHAASO revelan que la misteriosa «rodilla» o «inflexión» en la energía de los rayos cósmicos no es un accidente. Detrás de este quiebro, según los científicos, se esconden los aceleradores más salvajes del universo: los agujeros negros.
Por Enrique Coperías
Ilustración artística de un agujero negro cuyo chorro relativista dibuja una rodilla energética, la firma que LHAASO ha identificado en los rayos cósmicos a 3 PeV. Los científicos apuntan a estos sistemas extremos como posibles responsables de acelerar protones hasta energías récord. Imagen generada con DALL-E
La comunidad científica convive desde hace mucho tiempo con un desconcertante quiebro en la partitura energética de los rayos cósmicos, la llamada rodilla de los rayos cósmicos, un brusco cambio en la pendiente del flujo de partículas que llegan desde el espacio y atraviesan nuestra atmósfera a velocidades extremas.
Este fenómeno, observado en energías de alrededor de unos pocos petaelectronvoltios (PeV), ha sido tradicionalmente interpretado como un límite natural a la capacidad de aceleración de las fuentes galácticas, esto es, aceleradores naturales que podrían impulsar protones y otras partículas hasta energías muy altas, desde restos de supernovas (SNR) y agujeros negros hasta microcuásares, púlsares y chorros relativistas.
Pero una nueva medición, obtenida por el observatorio chino LHAASO, acaba de poner patas arriba esta visión clásica y ofrecer una explicación que, paradójicamente, nos acerca más a los agujeros negros que a las explosiones de supernovas.
Qué ha encontrado exactamente LHAASO
👉 El hallazgo, firmado por la gigantesca colaboración LHAASO y publicado en la revista Science Bulletin, representa la medición más precisa hasta la fecha del espectro energético de protones cósmicos —la especie más abundante en los rayos cósmicos— en la región crítica donde aparece la rodilla.
La conclusión del estudio es tan sorprendente como reveladora: lejos de decaer tímidamente, el flujo de protones muestra primero un endurecimiento del espectro —una especie de empinamiento inesperado— para después describir una caída abrupta justo en el punto de la rodilla, alrededor de los 3 PeV. Todo ello, con un nivel de detalle que obliga a reinterpretar qué motores cósmicos están inyectando partículas en nuestra galaxia.
Cómo funciona LHAASO
El Large High Altitude Air Shower Observatory o LHAASO es uno de los instrumentos más ambiciosos jamás construidos para estudiar rayos cósmicos de muy alta energía. Ubicado a 4.410 metros en la meseta tibetana, este complejo combina detectores de partículas, detectores de muones —partículas subatómicas parecidas a los electrones, pero unas 200 veces más pesadas y muy inestables— y telescopios Cherenkov —detectores de rayos gamma de muy alta energía en el rango de 25 GeV a 50 TeV desde la superficie terrestre— capaces de fotografiar las cascadas atmosféricas que se producen cuando un rayo cósmico choca contra los átomos de la atmósfera.
De la forma y contenido de esas cascadas, los físicos pueden deducir qué tipo de partícula llegó, cuánta energía llevaba y desde qué profundidad en la atmósfera se desarrolló el proceso.
El punto crucial del nuevo estudio es la capacidad inédita de LHAASO para diferenciar protones de núcleos más pesados, un reto técnico que había limitado durante décadas la precisión de las mediciones indirectas desde tierra. Gracias a su gigantesco detector de muones, el mayor de su tipo, con 40.000 m² de área activa, y a un sistema híbrido de medición que combina múltiples parámetros, el equipo ha logrado seleccionar muestras de protones con una pureza cercana al 90%.
Este don, combinado con un número colosal de eventos (más de nueve millones en apenas medio año de observación), permite trazar con nitidez la evolución del espectro de energía de los rayos cósmicos que antes solo se intuía.
El endurecimiento previo y la rodilla a 3 PeV
El análisis del espectro revela dos rasgos esenciales, según los expertos del LHAASO:
1️⃣ Un endurecimiento del espectro de protones suave pero inequívoco cuando la energía alcanza unas décimas de PeV.
2️⃣ Una caída drástica —la rodilla del espectro cósmico propiamente dicha— a partir de los 3 PeV, donde el número de partículas disminuye con una pendiente mucho más pronunciada de lo que predecían los modelos clásicos.
Este endurecimiento había sido sugerido por algunos detectores espaciales, como el Dark Matter Particle Explorer (DAMPE) y el CALorimetric Electron Telescope (CALET)— en rangos más bajos de energía, pero LHAASO lo confirma en el dominio PeV, región hasta ahora inaccesible a instrumentos orbitales por su limitado tamaño.
La coincidencia precisa entre la rodilla del espectro de protones y la rodilla del espectro total de rayos cósmicos, que incluye partículas más pesadas, es otro indicio decisivo: los protones no desaparecen antes de tiempo ni son reemplazados por elementos más pesados, como sugerían algunos modelos. Siguen dominando hasta la caída, lo que descarta la hipótesis de que su energía máxima de aceleración fuera mucho menor que la de los elementos pesados.
El mensaje es contundente: existe, en nuestra galaxia, al menos una clase de aceleradores cósmicos que empuja protones a energías de varios PeV.
PeVatrons: los nuevos sospechosos
Pero ¿quién acelera estos protones hasta niveles tan brutales? La intuición tradicional apuntaba a los restos de una supernova. Sin embargo, desde hace años se sospecha que estas explosiones no pueden llegar tan lejos. La eficiencia requerida para alcanzar velocidades relativistas extremas es difícil de justificar dentro de los plazos físicos en que evolucionan los restos de supernova.
Aquí entra en escena un protagonista emergente: los PeVatrons, fuentes capaces de producir partículas de energía PeV que LHAASO ha venido descubriendo en forma de señales de rayos gamma de energía ultraalta. El propio observatorio ha catalogado más de cuarenta fuentes de este tipo en la Vía Láctea, algunas con fotones detectados hasta los 2,5 PeV. Ningún escenario alternativo explica tan bien la necesidad de una nueva población de motores cósmicos capaz de inyectar protones justo en el rango donde aparece el endurecimiento.
¿Y qué son estos PeVatrons? La respuesta está aún en fase de construcción, pero cada vez más investigaciones apuntan a sistemas con agujeros negros, como microcuásares, binarias de rayos X o chorros relativistas generados en procesos de acreción extrema. Estos objetos pueden generar jets o chorros relativistas que funcionan como auténticos aceleradores naturales, con potencia suficiente para impulsar protones hasta la zona PeV con notable eficiencia.
Además, su localización y longevidad cuadran bien con la necesidad de mantener un flujo sostenido de rayos cósmicos en la galaxia.
El LHAASO es un gran observatorio de rayos cósmicos en la meseta tibetana que detecta las partículas más energéticas del universo estudiando las cascadas que producen al chocar con la atmósfera. En esencia: una de las instalaciones más potentes del mundo para observar fenómenos cósmicos extremos. Cortesía: LHAASO
¿Propagación o nueva población de fuentes?
El descubrimiento de LHAASO sitúa ahora a la comunidad científica ante dos explicaciones posibles para el origen de la rodilla:
1️⃣ Cambio en la propagación galáctica de los rayos cósmicos. Según esta visión, las partículas modificarían su modo de difusión en la Vía Láctea al superar cierto umbral de energía, provocando un quiebro observable en la Tierra sin necesidad de nuevas fuentes.
2️⃣ Aparición de una nueva población de aceleradores: los PeVatrons. Aquí, el endurecimiento observado se interpreta como la irrupción de un nuevo tipo de fuente galáctica de muy alta energía, dominada por agujeros negros o por sistemas de acreción super-Eddington, capaces de producir protones hasta el límite PeV.
Recordemos que los sistemas de acreción super-Eddington son objetos astronómicos, normalmente agujeros negros o estrellas de neutrones, que engullen materia a un ritmo mayor del que, en teoría, deberían poder soportar según el llamado límite de Eddington. Ese marca la cantidad máxima de material que un objeto compacto puede atraer antes de que la presión de radiación lo expulse.
Dicho esto, el estudio no resuelve completamente esta disyuntiva, pero sí invalida modelos que situaban el corte de los protones muy por debajo de 1 PeV, obligando a reescribir buena parte de las teorías sobre el origen de los rayos cósmicos.
Implicaciones para el origen de los rayos cósmicos
Más allá de la rodilla, este trabajo ofrece algo que los físicos llevan décadas buscando: una posible conexión directa entre el mapa de fuentes de rayos gamma PeV y el origen de los rayos cósmicos galácticos.
El hecho de que el máximo de la rodilla coincida casi exactamente con la energía en la que varios PeVatrons muestran sus señales más intensas no parece casualidad.
Si se confirma que los agujeros negros son los arquitectos ocultos detrás de la estructura del espectro cósmico, la rodilla dejará de ser un misterio y pasará a ser un marcador natural: la huella energética de regiones del cosmos donde la gravedad y la materia actúan en su versión más extrema.
Un futuro de precisión milimétrica
La colaboración LHAASO planea ahora cubrir el vacío de datos entre los detectores espaciales, que llegan hasta los 100 TeV, y su propio rango de energías, extendiendo el estudio de la prerrodilla con mayor resolución.
Los futuros análisis de las proporciones entre protones y helio, así como del papel exacto de los núcleos pesados, permitirán refinar aún más la interpretación del espectro galáctico.
Mientras tanto, el mapa energético del cosmos gana en coherencia gracias a esta medición sin precedentes. Y una vez más, como tantas veces en la historia de la astrofísica, la clave parece estar ligada a los enigmas gravitatorios más profundos: los agujeros negros, que quizá no solo tragan luz, sino que también moldean la partitura de alta energía que llega a la Tierra desde la Vía Láctea. ▪️
Fuente: LHAASO Collaboration. Precise measurements of the cosmic ray proton energy spectrum in the “knee” region. Science Bulletin (2025). DOI: https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.10.048
