¿De dónde vienen los rayos cósmicos más energéticos? Un nuevo estudio apunta a los vientos de los agujeros negros
Los rayos cósmicos de ultraalta energía podrían tener un origen hasta ahora poco explorado: los vientos galácticos expulsados por núcleos activos de galaxias. Un nuevo estudio sugiere que estos flujos podrían ser auténticos aceleradores naturales de partículas subatómicas.
Por Enrique Coperías
Los agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias emiten radiación y vientos ultrarrápidos al espacio. Ilustración: NASA, JPL-Caltech
Llevan más de medio siglo desconcertando a los astrofísicos: los rayos cósmicos más energéticos del universo siguen ocultándonos su naturaleza. Hablamos de partículas subatómicas —generalmente núcleos atómicos, como protones o átomos de hierro— que llegan desde el espacio exterior con energías tan descomunales que ni los aceleradores de partículas más potentes de la Tierra logran imitarlas.
Su origen ha sido un misterio desde que se detectaron por primera vez en 1962. Ahora, una investigación liderada por físicos de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) ofrece una hipótesis con bases sólidas: estos rayos podrían nacer en los vientos que lanzan algunos agujeros negros supermasivos.
La propuesta, publicada en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, parte de un fenómeno ya conocido pero poco explorado en este contexto: los flujos de salida ultrarrápidos (UFO, por sus siglas en inglés), chorros de gas ionizado que se expulsan a velocidades cercanas a la mitad de la velocidad de la luz desde los núcleos activos de galaxias (AGN).
Radiaciones que alcanzan los 10²⁰ electronvoltios
Estas regiones, alimentadas por agujeros negros voraces, emiten enormes cantidades de radiación y, en muchos casos, expulsan materia a velocidades relativistas. Según el equipo noruego-francés, liderado por el doctorando Domenik Ehlert, estos vientos galácticos tienen el potencial de acelerar partículas hasta energías que rozan los 10²⁰ electronvoltios.
«Pensamos que esta radiación de altísima energía podría generarse por los vientos de agujeros negros supermasivo», explica Foteini Oikonomou, profesora del Departamento de Física en la NTNU y coautora del estudio.
Aunque Sagitario A*, el agujero negro en el centro de la Vía Láctea, está en una fase de relativa calma, muchos otros en el universo se encuentran en plena actividad, alimentándose de enormes cantidades de materia.
«Algunos de ellos pueden consumir cada año varias veces la masa del Sol», señala Enrico Peretti, investigador posdoctoral en la Université Paris Cité y también firmante del trabajo. En ese proceso, parte de la materia no llega a ser devorada, sino que es expulsada con enorme violencia en forma de viento.
¿Qué es el feedback galáctico?
Los UFO llevan años siendo estudiados por su papel en el llamado feedback galáctico, un mecanismo que puede frenar la formación de nuevas estrellas al barrer el gas que las alimenta. Pero Ehlert y sus colegas plantean que su rol va más allá de la evolución galáctica, ya que podrían ser auténticas fábricas cósmicas de partículas subatómicas ultraenergéticas.
La clave está en los frentes de choque que se forman cuando estos vientos colisionan con el medio interestelar. En esas zonas, según el estudio, se dan las condiciones para que partículas como protones o núcleos de hierro se aceleren mediante un proceso conocido como aceleración por choque difusivo.
Cada vez que cruzan el frente de choque, las partículas rebotan, ganando así energía de manera progresiva, como pelotas en un pinball cósmico.
El resultado es tan sorprendente como difícil de imaginar. «Una de estas partículas, que es más pequeña que un átomo, puede llegar a tener tanta energía como una pelota de tenis golpeada por Serena Williams a 200 kilómetros por hora». ejemplifica Oikonomou.
Domenik Ehlert y Foteini Oikonomou posan ante uno de los 1.600 detectores de superficie que forman parte del Observatorio Pierre Auger de Rayos Cósmicos de Ultraalta Energía, en Malargüe (Argentina). Cortesía: NTNU
Esa energía, del orden de los 10²⁰ electronvoltios, es mil millones de veces superior a la que se alcanza en el gran colisionador de hadrones (LHC), el acelerador de partículas más potente del mundo, que se encuentra en un túnel de 27 kilómetros de circunferencia y a una profundidad máxima de 175 metros bajo tierra, debajo de la frontera entre Francia y Suiza, cerca de Ginebra.
Afortunadamente, cuando estas partículas llegan a la atmósfera terrestre, se fragmentan en una cascada de partículas secundarias, inofensivas para quienes vivimos en la superficie. Para los astronautas, sin embargo, la historia es distinta. Aunque este tipo de radiación cósmica es muy infrecuente, las más comunes —provenientes del Sol— sí representan un riesgo para las misiones espaciales.
Un modelo con base sólida y simulaciones en 3D
Para poner a prueba su hipótesis, el equipo desarrolló un modelo detallado del entorno de los núcleos activos de galaxias y utilizó simulaciones tridimensionales con la CRPropa, una herramienta de simulación computacional que permite modelar la propagación y las interacciones de rayos cósmicos, neutrinos y fotones de alta energía a través del universo. Se usa en astrofísica para estudiar cómo estas partículas se aceleran y viajan desde sus fuentes hasta la Tierra.
De esta forma, Ehlert y sus colegas analizaron tanto la aceleración de partículas en la zona del frente de choque como su capacidad para escapar del entorno, que está plagado de intensos campos de radiación provenientes del disco de acreción, la corona y el polvo circundante del núcleo activo galáctico.
Una de las principales dificultades para que estas partículas lleguen hasta nosotros se encuentra precisamente en ese entorno hostil. Muchos de los núcleos atómicos son desintegrados por los fotones antes de que puedan escapar. Sin embargo, los resultados del estudio muestran que en los UFO más extremos, o sea, aquellos con las velocidades más altas y menor densidad de radiación, algunas partículas pueden salvarse.
El eslabón perdido en el espectro cósmico
En estos casos, hasta un 10% de los UFO podrían lanzar núcleos de hierro con energías superiores a los 10¹⁸,⁴ eV. Los protones, por su parte, que son menos sensibles a la fotodesintegración, logran escapar con más frecuencia, alcanzando los 10¹⁸ eV en cerca de la mitad de los objetos analizados.
Una de las aportaciones más valiosas del modelo propuesto por Ehlert y su equipo es que ofrece una solución al conocido como gap del espectro de rayos cósmicos. A ciertas energías —alrededor de 10¹⁶,⁸ eV— se cree que termina la contribución de fuentes galácticas, mientras que las extragalácticas dominan a partir de 10¹⁸,⁷ eV.
Entre medias, existe una región poco explicada. Los UFO, según este estudio, encajan perfectamente en ese hueco: pueden generar partículas justo en dicho rango de transición.
«Otros modelos no logran explicar bien la composición química de las partículas que observamos en esa franja del espectro —apunta Oikonomou—. Nuestro modelo sí lo hace».
Una señal que se puede buscar: los neutrinos
El equipo destaca que su hipótesis puede ponerse a prueba con experimentos en neutrinos, las escurridizas partículas que apenas interactúan con la materia. Cuando los rayos cósmicos interactúan con la luz o la materia, generan neutrinos de alta energía. Detectarlos podría servir como huella dactilar de los UFO, según Ehlert.
«Esperamos poder colaborar con astrónomos expertos en neutrinos en los próximos años —señala Oikonomou—. “i logramos detectar esa señal, tendríamos una evidencia sólida a favor del modelo».
El entusiasmo es palpable, pero también lo es la cautela. «Nuestra respuesta es más bien un prudente quizá —matiza Oikonomou. Y añade—: Las condiciones encajan muy bien, pero no podemos afirmar todavía que los UFO sean la fuente definitiva de los rayos cósmicos de ultraalta energía».
En el centro de la Vía Láctea se encuentra un agujero negro, aunque no podemos observarlo directamente con telescopios ópticos. Los agujeros negros podrían estar detrás de uno de los grandes misterios de la física. Ilustración: NASA, JPL-Caltech, Susan Stolovy.
¿Que tiene de particular la galaxia NGC 7582?
Dentro de la muestra analizada —86 UFO observados en diferentes galaxias—, uno destaca por encima del resto: la galaxia NGC 7582. Situada a unos 70 millones de años luz de distancia de la Tierra, en la constelación de Grus, alberga un agujero negro supermasivo en su núcleo y es una de las menos luminosas del grupo. Precisamente por ello, sus partículas encuentran menos obstáculos para escapar. En ella, según el modelo, los núcleos de hierro pueden alcanzar los 10¹⁹ eV.
Otros cinco objetos muestran también condiciones favorables, aunque en general, los UFO más potentes, esto es, con mayor velocidad de viento, también presentan campos de radiación más intensos, lo que puede limitar su eficacia como aceleradores.
Un universo por explorar
Durante años, los astrofísicos han considerado otras fuentes posibles para estas partículas extremas: estallidos de rayos gamma, galaxias en formación acelerada o chorros relativistas desde núcleos galácticos. Todas son candidatas plausibles, pero ninguna ha logrado ofrecer una explicación completa ni verificable.
«La ventaja de estudiar los vientos de los agujeros negros es que son frecuentes, energéticos y están bien documentados —subraya Ehlert. Y añade—: Y ahora tenemos un modelo que no solo encaja con lo que vemos, sino que además puede probarse».
En un universo lleno de incógnitas, cada hipótesis contrastable es un paso adelante. Y cada neutrino captado en las profundidades del hielo de la Antártida podría ser una pista hacia la respuesta definitiva. ▪️
Información facilitada por la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología
Fuente: Domenik Ehlert, Foteini Oikonomou, Enrico Peretti. Ultra-high-energy cosmic rays from ultra-fast outflows of active galactic nuclei. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2025). DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf457
