La meseta tibetana es una vasta llanura elevada a casi cinco kilómetros sobre el nivel del mar, a veces llamada el Techo del Mundo. Limita al sur con la cordillera más alta del mundo y al norte con tierras desérticas. Es uno de los lugares más aislados de la Tierra.

Pero su altitud extrema la convierte en un sitio muy útil para los científicos. En 1990, construyeron un observatorio en la zona para estudiar las partículas atmosféricas subatómicas que caen de la atmósfera superior cada vez que son alcanzadas por un rayo cósmico de alta energía. Este trabajo se realiza mejor a gran altura porque hay la capa atmosférica que absorbe las partículas es menor. Desde entonces, el llamado Tibet Air Shower Array ha registrado un gran número de rayos cósmicos de alta energía, partículas de enormes energías aceleradas por fenómenos astrofísicos como supernovas, núcleos galácticos activos y fuentes energéticas misteriosas aún no identificadas.

Pero el observatorio también capta las partículas atmosféricas que caen por una causa diferente: los fotones de alta energía. Estos misteriosos fotones también nacen a consecuencia de fenómenos astrofísicos, como la interacción entre las partículas de alta energía y la radiación de fondo de microondas. Como consecuencia, pueden proporcionar una visión única de estos procesos y los entornos en los que se producen.

A lo largo de los años, el Tibet Air Shower Array ha visto muchos de estos fotones con energías de hasta docenas de teraelectronvoltios (TeV 10¹²). Esta cantidad es aproximadamente equivalente a de los fotones de mayor energía que se pueden crear en la Tierra. Pero hasta la fecha, nadie había observado fotones más potentes.

Hasta ahora. Los investigadores del Tibet Air Shower Gamma Collaboration afirman haber observado por primera vez fotones con energías por encima de los 100 TeV, incluido un extraordinario fotón con una energía de casi 500 TeV. Este fotón en concreto tiene aproximadamente la misma energía que una pelota de ping-pong en caída y es el fotón más energético jamás registrado.

También han descubierto de dónde provienen estos fotones: de la nebulosa del Cangrejo, los restos de una supernova que ocurrió en 1054 d. C. en el Brazo de Perseo de la Vía Láctea, a unos 6.500 años luz de la Tierra.

El centro de esta nebulosa contiene un púlsar, una estrella de neutrones que gira a una velocidad de 30 veces por segundo y emite pulsos electromagnéticos en una amplia gama de frecuencias. A pesar de que la Nebulosa del Cangrejo no se ve a simple vista, su brillo es similar al de la luna Titán de Saturno, la fuente más brillante en el cielo nocturno de rayos X y rayos gamma con energías superiores a 30 KeV.

Así que no es de extrañar que la nebulosa del Cangrejo despierte gran interés entre los astrónomos. Una cuestión que les fascina es lo energéticos que pueden volverse esos fotones y qué indica la distribución de energías fotónicas sobre las condiciones en el interior de la nebulosa.

Se cree que los fotones de esta energía se producen mediante un proceso conocido como dispersión inversa Compton. Esto ocurre cuando una partícula con mucha energía transfiere su energía a un fotón. En el caso de la nebulosa del Cangrejo, las partículas tan energéticas probablemente son electrones y protones acelerados por ondas de choque en los poderosos campos magnéticos que rodean el púlsar. Esto les da energías en el rango sub-petaelectronvoltio (10¹⁵). A modo de comparación, el Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más poderoso del mundo, tiene una energía de colisión de 14 TeV.

Después, estas partículas transfieren su energía a los fotones que quedan del Big Bang, y se convierten en lo que se conoce como radiación de fondo de microondas, y que les proporciona cientos de TeV. Esos son los fotones detectados por el Tibet Air Shower Array. "Esta es la primera detección de fotones con tanta energía, más allá de 100 TeV, de una fuente astrofísica, y por lo tanto abre la ventana sub-PeV en astronomía", afirma la investigación.

Esto revela exactamente qué tipo de condiciones debe haber dentro de la nebulosa. En concreto, revela la magnitud de las ondas de choque que pasan a través del campo magnético. Y eso, a su vez, aclara los procesos que deben generar estas ondas de choque.

Varias teorías predicen un límite de la energía que los fotones pueden adquirir de esta manera. Pero la colaboración del Tíbet no ha encontrado ninguna señal de eso hasta ahora. Podría ser que este proceso pueda ser capaz de generar fotones con exaelectronvoltios (EeV, 10¹⁸). En tal caso, un solo fotón tendría la energía de una bala de rifle de aire comprimido. En 1991, los físicos midieron un rayo cósmico con una energía de 300 EeV, la llamada partícula Oh-My-God, la partícula con energía más alta jamás registrada.

Pero primero, harán falta más pruebas de la colaboración del Tíbet y otros grupos para ayudar a perfeccionar las teorías astrofísicas sobre lo que sucede exactamente dentro de estos entornos más extremos del universo.

Ref: https://arxiv.org/abs/1906.05521 : First Detection of Photons with Energy Beyond 100 TeV from an Astrophysical Source