La rodilla de los rayos cósmicos: el origen de un límite de velocidad galáctico

Si se grafica el número de rayos cósmicos que impactan la Tierra frente a su energía, se obtiene uno de los gráficos más fiables de toda la física: una línea casi recta, que cae de forma pronunciada y se mantiene así durante diez órdenes de magnitud. Luego, a una energía de aproximadamente tres a cuatro cuatrillones de electronvoltios, la línea se dobla. No se rompe ni desaparece: simplemente se inclina un poco más y sigue cayendo. Los astrónomos llaman a este sutil quiebre "la rodilla" (the knee), y durante más de sesenta años ha funcionado como una especie de mojón cósmico. Algo ocurre allá afuera, en la galaxia, exactamente a esa energía, y todavía discutimos qué es con precisión.

Los hechos documentados

Los rayos cósmicos no son rayos en absoluto, sino partículas —en su mayoría protones desnudos y núcleos atómicos— que se estrellan contra nuestra atmósfera desde el espacio a casi la velocidad de la luz. Cuando uno choca con las capas altas del aire, desencadena una cascada de partículas secundarias llamada cascada atmosférica extensa (extensive air shower), que los detectores en superficie registran.

La rodilla se descubrió de este modo. En 1958, Georgy Kulikov y German Khristiansen, de la Universidad Estatal de Moscú, usando un arreglo de contadores hodoscopios, advirtieron un "quiebre" en el espectro de las cascadas atmosféricas que correspondía a energías primarias de varios PeV (un PeV equivale a 10^15 electronvoltios). El endurecimiento que hallaron se conoce hoy universalmente como la rodilla (CERN Courier; Universidad de Siena, Early History of Cosmic Rays).

Desde entonces, este rasgo se ha cartografiado con una precisión mucho mayor. El Observatorio de Cascadas Atmosféricas de Gran Altitud (Large High Altitude Air Shower Observatory, LHAASO), en Sichuan, China, publicó la medición más detallada hasta la fecha en Physical Review Letters en 2024. Usando su arreglo KM2A, LHAASO situó la rodilla en 3,67 ± 0,05 ± 0,15 PeV. El índice espectral —la pendiente de la línea descendente— se midió en −2,7413 por debajo de la rodilla y −3,128 por encima de ella (Colaboración LHAASO, Phys. Rev. Lett. 132, 131002). El experimento anterior KASCADE, en Alemania, había ubicado un rasgo similar al de la rodilla cerca de los 4 PeV (arXiv:1308.2098).

Para poner esa energía en perspectiva: 3,7 PeV equivale aproximadamente a un millón de veces la energía que el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider) imprime a un solo protón. La naturaleza hace esto en algún lugar de nuestra galaxia de forma gratuita, y la rodilla nos dice que, sea lo que sea lo que lo logra, empieza a quedarse sin fuerzas justo ahí.

La explicación predominante se apoya en una física sólida y comprobable. Las partículas cargadas son aceleradas y confinadas por campos magnéticos, y lo que importa físicamente no es la energía bruta, sino la rigidez (rigidity): a grandes rasgos, la energía dividida por la carga. Por lo tanto, la energía máxima que una fuente puede entregar escala con el número de carga Z de la partícula. Si los protones (Z=1) llegan a su tope cerca de unos pocos PeV, entonces el helio, el carbono y el hierro (Z=26) deberían alcanzar sus propias rodillas a energías proporcionalmente más altas. Esta es la imagen del corte dependiente de la rigidez o "ciclo de Peters" (Peters cycle), y hace una predicción nítida: la mezcla de rayos cósmicos debería volverse más pesada por encima de la rodilla (IOPscience, Cosmic-Ray Physics).

Esa predicción se ha sostenido. Los datos de 2024 de LHAASO muestran que la masa logarítmica media de los rayos cósmicos tiende hacia elementos más pesados por encima de la rodilla, exactamente lo que cabría esperar si los protones ligeros van cayendo primero y los núcleos más pesados van ocupando su lugar detrás (Phys. Rev. Lett. 132, 131002).

También existe un techo geométrico. El criterio de Hillas (Hillas criterion) establece que una fuente solo puede acelerar una partícula mientras la órbita de esta quepa dentro de la región aceleradora; formalmente, la energía máxima escala como el producto de la intensidad del campo magnético por el tamaño de la fuente (E_max ≈ eBR). Para la mayoría de los objetos galácticos, esa cuenta limita la aceleración a algún punto del rango de los PeV, a menos que el campo magnético se amplifique de forma drástica (Frontiers in Astronomy and Space Sciences).

Por último, hoy tenemos evidencia directa de que la galaxia contiene aceleradores que alcanzan estas energías. En 2021, LHAASO informó en Nature la detección de una docena de "PeVatrones" (PeVatrons) —fuentes que emiten rayos gamma por encima de los 100 TeV—, incluido un fotón de aproximadamente 1,4 PeV, el fotón de mayor energía jamás registrado, procedente de la región de formación estelar del Cisne (Cygnus). Se observó a la nebulosa del Cangrejo (Crab Nebula) emitiendo fotones por encima de 1 PeV sin un corte claro (Cao et al., Nature 594, 33, 2021).

La verdadera pregunta abierta

He aquí el enigma que mantiene sin resolver el problema de la rodilla: podemos ver a la galaxia acelerar partículas hasta energías de PeV, y tenemos una teoría limpia de por qué debería aparecer una rodilla, pero no hemos podido asignar de forma concluyente una clase específica de fuente a esa tarea.

Durante décadas, los principales sospechosos han sido los remanentes de supernova (supernova remnants): las ondas de choque en expansión de estrellas que estallaron, donde se cree que la aceleración por choque difusivo (diffusive shock acceleration) impulsa las partículas hasta altas energías (Astronomy & Astrophysics, arXiv:astro-ph/0303159). La teoría es elegante. El problema son los números. El modelado detallado de remanentes observados sugiere que muchos de ellos suavizan o cortan sus espectros de partículas en torno a los 100 TeV, aproximadamente un factor de diez por debajo de la rodilla (LHAASO y los rayos cósmicos galácticos, PMC). Un remanente estándar de edad madura, cuya onda de choque ya se ha frenado, puede tener dificultades incluso para llegar a los 10 TeV.

Así que persiste una brecha entre lo que los remanentes de supernova parecen entregar y dónde se sitúa la rodilla. Los PeVatrones que halló LHAASO se identifican en su mayoría por sus rayos gamma, que pueden ser producidos tanto por protones (los rayos cósmicos que nos interesan) como por electrones (que no contribuyen a la rodilla). Separar ambos —encontrar una prueba firme de aceleración hadrónica a PeV— es genuinamente difícil y, según las revisiones más recientes, ninguna fuente galáctica individual ha quedado confirmada como un PeVatrón de protones más allá de toda duda razonable (arXiv:2306.01484).

En resumen: la rodilla marca casi con certeza la energía máxima de los aceleradores de la galaxia. Lo que aún no podemos hacer es señalar la máquina —o las máquinas— y decir esa, funcionando exactamente así, traza la línea en 3,7 PeV.

Teorías e interpretaciones (especulación señalada como tal)

La visión del límite de aceleración (corriente principal). La rodilla es el punto donde los aceleradores galácticos llegan a su tope para los protones, mientras los núcleos más pesados extienden el espectro hacia energías más altas a través de la secuencia de rigidez. Esta es la lectura de consenso y es la que mejor se apoya en los datos de composición (revisión de IOPscience).

La visión del confinamiento / fuga (alternativa plausible). Una idea solapada sostiene que la rodilla refleja en parte el momento en que la galaxia ya no puede contener sus rayos cósmicos: por encima de cierta rigidez, las partículas se escapan del campo magnético galáctico en lugar de quedar atrapadas. Trabajos recientes sostienen que las mediciones de anisotropía (la leve desigualdad direccional de las partículas que llegan) podrían ayudar a comprobar si es la propagación, y no la aceleración, lo que impulsa el quiebre (estudio en Astrophysical Journal). Sigue siendo una competidora creíble.

Las propuestas de fuente única o exóticas (más especulativas). Una minoría de modelos invoca contribuciones de una única fuente dominante cercana, o efectos novedosos de la física de partículas, para dar forma a la rodilla. Son interesantes, pero cuentan con un respaldo observacional mucho menor y deben tratarse como conjeturas.

Lo que hace de la rodilla de los rayos cósmicos un misterio tan satisfactorio es que no es vago. Es un número preciso, medido con un error de unos pocos por ciento, escrito en el cielo. Sabemos a grandes rasgos por qué debería estar ahí. Simplemente seguimos a la caza de los motores galácticos que la pusieron allí, y cada fotón de PeV que captura LHAASO estrecha la búsqueda.

Fuentes y lecturas adicionales

• Colaboración LHAASO, "Measurements of All-Particle Energy Spectrum and Mean Logarithmic Mass of Cosmic Rays from 0.3 to 30 PeV with LHAASO-KM2A," Physical Review Letters 132, 131002 (2024). ADS
• Cao et al., Colaboración LHAASO, "Ultrahigh-energy photons up to 1.4 petaelectronvolts from 12 γ-ray Galactic sources," Nature 594 (2021). Comunicado IHEP/LHAASO
• "The origin of cosmic rays," CERN Courier. cerncourier.com
• "Early History of Cosmic Ray Research," Universidad de Siena. PDF
• "LHAASO and Galactic cosmic rays," revisión en PMC. ncbi.nlm.nih.gov
• "Chapter 4: Cosmic-Ray Physics," IOPscience. iopscience.iop.org
• "Open Questions in Cosmic-Ray Research at Ultrahigh Energies," Frontiers in Astronomy and Space Sciences. frontiersin.org
• "The knee in galactic cosmic ray spectrum and variety in supernovae," arXiv:astro-ph/0303159. arxiv.org
• "Search for the Galactic accelerators of cosmic rays up to the knee with the Pevatron Test Statistic," arXiv:2306.01484 (preprint). arxiv.org

Fuentes y lecturas adicionales

• Colaboración LHAASO, Phys. Rev. Lett. 132, 131002 (2024) — https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024PhRvL.132m1002C/abstract
• Cao et al., LHAASO/Nature 594 (2021), comunicado IHEP — http://english.ihep.cas.cn/lhaaso/News/202110/t20211026_286767.html
• The origin of cosmic rays, CERN Courier — https://cerncourier.com/a/the-origin-of-cosmic-rays/
• Early History of Cosmic Ray Research, Universidad de Siena — https://galileo.dsfta.unisi.it/images/PSMPDFiles/Early-history-of-CR.pdf
• LHAASO and Galactic cosmic rays, PMC — https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9157250/
• Revisión Cosmic-Ray Physics, IOPscience — https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-1137/ac3faa
• Open Questions in Cosmic-Ray Research at Ultrahigh Energies, Frontiers — https://www.frontiersin.org/journals/astronomy-and-space-sciences/articles/10.3389/fspas.2019.00023/full
• The knee in galactic cosmic ray spectrum and variety in supernovae, arXiv:astro-ph/0303159 — https://arxiv.org/pdf/astro-ph/0303159
• Búsqueda con el Pevatron Test Statistic (preprint), arXiv:2306.01484 — https://arxiv.org/pdf/2306.01484
• Espectros elementales de KASCADE-Grande, arXiv:1308.2098 — https://arxiv.org/pdf/1308.2098
• Restricción conjunta sobre el origen de propagación de la rodilla, ApJ — https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae3d2d