Cielo de radio de baja frecuencia en el momento del impacto de un rayo cósmico. Crédito de la imagen: MPIFR. Click para agrandar.
Utilizando el experimento LOPES, un prototipo del nuevo radiotelescopio de alta tecnología LOFAR para detectar partículas de rayos cósmicos de energía ultraalta, un grupo de astrofísicos, en colaboración con Max-Planck-Gesellschaft y Helmholtz-Gemeinschaft, ha registrado el más brillante y rápido explosiones de radio jamás vistas en el cielo. Las explosiones, cuya detección se informó en la edición de esta semana de la revista Nature, son destellos dramáticos de luz de radio que parecen más de 1000 veces más brillantes que el sol y casi un millón de veces más rápido que los rayos normales. Durante un breve momento, estos destellos, que hasta ahora habían pasado desapercibidos en gran medida, se convierten en la luz más brillante del cielo con un diámetro dos veces mayor que el de la luna.
El experimento mostró que los destellos de radio se producen en la atmósfera de la Tierra, causados por el impacto de las partículas más energéticas producidas en el cosmos. Estas partículas se llaman rayos cósmicos de energía ultraalta y su origen es un enigma continuo. Los astrofísicos ahora esperan que su hallazgo arroje nueva luz sobre el misterio de estas partículas.
Los científicos utilizaron una serie de antenas de radio y la gran variedad de detectores de partículas del experimento KASCADE-Grande en Forschungszentrum Karlsruhe. Mostraron que cada vez que una partícula cósmica muy enérgica golpeaba la atmósfera de la Tierra, se registraba un pulso de radio correspondiente desde la dirección de la partícula entrante. Utilizando técnicas de imagen de radioastronomía, el grupo incluso produjo secuencias de películas digitales de estos eventos, produciendo las películas más rápidas jamás producidas en radioastronomía. Los detectores de partículas les proporcionaron información básica sobre los rayos cósmicos entrantes.
Los investigadores pudieron demostrar que la fuerza de la señal de radio emitida era una medida directa de la energía de los rayos cósmicos. "Es sorprendente que con simples antenas de radio FM podamos medir la energía de las partículas provenientes del cosmos", dice el profesor Heino Falcke de la Fundación Holandesa para la Investigación en Astronomía (ASTRON), quien es el portavoz de la colaboración de LOPES. "Si tuviéramos ojos sensibles de radio, veríamos el cielo brillar con destellos de radio", agrega.
Los científicos utilizaron pares de antenas similares a las utilizadas en los receptores de radio FM comunes. "La principal diferencia con las radios normales es la electrónica digital y los receptores de banda ancha, que nos permiten escuchar muchas frecuencias a la vez", explica Dipl. Phys. Andreas Horneffer, un estudiante graduado de la Universidad de Bonn y la Escuela Internacional de Investigación Max-Planck (IMPRS), que instaló las antenas como parte de su proyecto de doctorado.
En principio, algunos de los flashes de radio detectados son, de hecho, lo suficientemente fuertes como para eliminar la recepción de radio o TV convencional por un corto tiempo. Para demostrar este efecto, el grupo ha convertido su recepción de radio de un evento de rayos cósmicos en una banda sonora (ver más abajo). Sin embargo, dado que los destellos solo duran unos 20-30 nanosegundos y las señales brillantes se producen solo una vez al día, difícilmente se reconocerán en la vida cotidiana.
El experimento también mostró que la emisión de radio variaba en intensidad con respecto a la orientación del campo magnético de la Tierra. Este y otros resultados verificaron predicciones básicas que habían sido hechas en cálculos teóricos anteriormente por el Prof. Falcke y su ex estudiante de doctorado Tim Huege, así como por los cálculos del Prof. Peter Gorham de la Universidad de Hawai.
Las partículas de rayos cósmicos bombardean constantemente la tierra causando pequeñas explosiones de partículas elementales que forman un haz de materia y partículas antimateria que atraviesan la atmósfera. Las partículas cargadas más ligeras, electrones y positrones, en este haz serán desviadas por el campo geomagnético de la Tierra, lo que hace que emitan emisiones de radio. Este tipo de radiación es bien conocido por los aceleradores de partículas en la Tierra y se llama radiación sincrotrón. En analogía, los astrofísicos ahora hablan de la radiación "geosíncrotrón" debido a la interacción con el campo magnético de la Tierra.
Los flashes de radio fueron detectados por las antenas LOPES instaladas en el experimento de ducha de aire de rayos cósmicos KASCADE-Grande en Forschungszentrum Karlsruhe, Alemania. KASCADE-Grande es un experimento líder para medir rayos cósmicos. "Esto muestra la fuerza de tener un importante experimento de física de astropartículas directamente en nuestro vecindario; esto nos dio la flexibilidad de explorar también ideas inusuales como esta", dice el Dr. Andreas Haungs, portavoz de KASCADE-Grande.
El radiotelescopio LOPES (estación experimental prototipo LOFAR) utiliza antenas prototipo del radiotelescopio más grande del mundo, LOFAR, que se construirá después de 2006 en los Países Bajos y partes de Alemania. LOFAR tiene un nuevo diseño radical, que combina una multitud de antenas baratas de baja frecuencia que recogen las señales de radio de todo el cielo a la vez. Conectado por Internet de alta velocidad, una supercomputadora tiene la capacidad de detectar señales inusuales y crear imágenes de regiones interesantes en el cielo sin mover ninguna parte mecánica. “LOPES logró los primeros resultados científicos importantes del proyecto LOFAR ya en la fase de desarrollo. Esto nos hace confiar en que LOFAR será tan revolucionario como esperábamos ”. explica el profesor Harvey Butcher, director de la Fundación Holandesa para la Investigación en Astronomía (ASTRON) en Dwingeloo, Países Bajos, donde se está desarrollando LOFAR.
"Esta es realmente una combinación inusual, donde los físicos nucleares y los radioastrónomos trabajan juntos para crear un experimento de física de astropartículas único y muy original", afirma el Dr. Anton Zensus, director del Max-Planck-Institut f? R Radioastronomie (MPIfR) en Bonn "Allana el camino para nuevos mecanismos de detección en la física de partículas, así como para demostrar las impresionantes capacidades de los telescopios de próxima generación, como LOFAR y más tarde la matriz de kilómetros cuadrados (SKA). De repente, grandes experimentos internacionales en diferentes áreas de investigación se unen "
Como siguiente paso, los astrofísicos quieren usar el próximo conjunto LOFAR en los Países Bajos y Alemania para la radioastronomía y la investigación de rayos cósmicos. Se están realizando pruebas para integrar la antena de radio en el Observatorio Pierre Auger de rayos cósmicos en Argentina y posiblemente más tarde en el segundo Observatorio Auger en el hemisferio norte. “Esto puede ser un gran avance en la tecnología de detección. Esperamos utilizar esta novedosa técnica para detectar y comprender la naturaleza de los rayos cósmicos de mayor energía y también para detectar neutrinos de energía ultraalta del cosmos ", dice el profesor Johannes Blömer, director del programa de Física de Astropartículas de la Asociación Helmholtz y en Forschungszentrum Karlsruhe.
La detección ha sido confirmada en parte por un grupo francés que utiliza el gran radiotelescopio del observatorio de París en Nanya. Históricamente, el trabajo sobre la emisión de radio de los rayos cósmicos se realizó por primera vez a fines de la década de 1960 con las primeras afirmaciones de detecciones. Sin embargo, no se pudo extraer información útil con la tecnología de estos días, y el trabajo cesó rápidamente. Las principales deficiencias fueron la falta de capacidades de imágenes (ahora implementadas por software), la baja resolución de tiempo y la falta de una matriz de detectores de partículas bien calibrada. Todo esto se ha superado con el experimento LOPES.
Fuente original: Comunicado de prensa de MPI
