Los cúmulos de galaxias podrían explicar la mayor parte de los rayos gamma de origen desconocido

• Las simulaciones computacionales más detalladas hasta el momento han revelado por primera vez que los cúmulos de galaxias podrían ser una fuente importante de radiación gamma desconocida.

• El artículo científico que describe esta investigación fue publicado en la revista Nature Communications y contó con la participación clave del investigador del Instituto de Física Teórica IFT UAM/CSIC Rafael Alves Batista, uno de los autores principales.

La radiación de rayos gamma de altas energías, especialmente por encima de de 1 GeV a 1 TeV, es un fenómeno que ha sido objeto de estudio en el campo de la astrofísica durante años. Existe una distribución difusa de rayos gamma de altas energías que se observa llegando desde todas las direcciones del cielo. Si bien se conocen muchas fuentes que pueden generar esta radiación, aún hay una parte desconocida cuyas fuentes no se han identificado. Una de las posibles explicaciones para esta radiación desconocida podría ser la materia oscura, cuya naturaleza aún no se comprende por completo. Sin embargo, se desconoce qué otras fuentes podrían contribuir a esta emisión.

Aquí entran en juego los cúmulos de galaxias. Estos cúmulos o clusters son objeto de estudio clave para comprender su contribución a la emisión de rayos gamma de altas energías. Los cúmulos de galaxias son estructuras que contienen cientos de galaxias individuales y están unidos gravitacionalmente.

Estas estructuras también contienen gas, y dentro de ellas ocurren procesos de aceleración de partículas. Los rayos cósmicos son acelerados tanto por objetos astronómicos presentes en los cúmulos como por el propio medio intraclúster. Pues bien, las interacciones de estos rayos cósmicos podrían ser responsables de buena parte de la producción de rayos gamma, neutrinos y otras partículas.

El artículo científico que describe esta investigación fue publicado en la revista Nature Communications y contó con la participación del investigador del IFT Rafael Alves Batista, uno de los autores principales del estudio, que contribuyó a concepción del trabajo, las simulaciones y el análisis de datos. El resto de los autores incluyen a Saqib Hussain ahora investigador posdoctoral y por entonces estudiante de doctorado. Elisabete M. de Gouveia Dal Pino dirigió del trabajo de doctorado de Hussain y coordinó el estudio. Por su parte, Klaus Dolag realizó la simulación cosmológica.

pie de foto: 

Uno de los cúmulos de galaxias (que corresponde a "un punto" en la red cósmica del lado, que tiene una extensión de 1 millón de pársecs), donde los investigadores mostraron la trayectoria de los rayos cósmicos que se propagan en el cúmulo. Imagen: Hussain

Como adelantábamos, esta simulación es una de las más grandes y detalladas disponibles, abarcando desde las primeras galaxias hace unos diez mil millones de años hasta la formación de las estructuras actuales. Se utilizaron propiedades obtenidas de estas simulaciones, como la distribución de gas, campos magnéticos y radiación, para estudiar la propagación de los rayos cósmicos y su interacción con el gas presente en los cúmulos.

Alves Batista, uno de los autores principales del artículo, contribuyó además con una herramienta clave a la hora de elaborar la simulación. Se trata de un código de propagación de partículas conocido como CRPropa. Este código permite calcular, no solo la probabilidad de interacción de partículas como los protones con el fondo presente en los cúmulos de galaxias, sino también las trayectorias de estas partículas. Además, el código también calcula las propiedades de las partículas producidas en estas interacciones, incluyendo la formación de piones y la posterior generación de rayos gamma. Alves Batista y otros colegas comenzaron el desarrollo de CRPRopa años atrás y esta herramienta tiene múltiples usos en teorías del transporte de astropartículas en entornos astrofísicos y en distancias cosmológicas.

La simulación computacional realizada en el reciente estudio abarca una gran región del universo, con un tamaño de alrededor de 9000 megapársecs, unos 30 mil millones de años luz, mientras que la región simulada en detalle tiene aproximadamente 200 megapársecs. Según Alves Batista: “La muestra simulada es bastante representativa y, de hecho, se espera que el resto del universo tenga características similares”.

La investigación concluye que los cúmulos de galaxias pueden ser una fuente importante de emisión de rayos gamma de altas energías. Si esto es cierto, podría haber una contribución significativa de los cúmulos en el flujo observado desde la Tierra, limitando la contribución de otros objetos astrofísicos.

Sin embargo, cabe destacar que estos resultados son teóricos y aún no han sido comprobados experimentalmente. En el futuro, se espera que los datos de los telescopios confirmen estas aproximaciones. Por ejemplo, algunos telescopios existentes como Fermi-LAT y otros futuros como el Cherenkov Telescope Array (CTA), con los cuales el IFT está involucrado.

En definitiva, los resultados contribuyen a mejorar la comprensión del flujo difuso de rayos gamma, que aún no se comprende en su totalidad.

Proyecto financiado por Fundación La Caixa (ID 100010434) y el programa Horizonte de Investigación e Innovación bajo el acuerdo de beca Marie Skłodowska-Curie No 847648 (fellowship LCF/BQ/PI21/11830030).

Hussain, S., Alves Batista, R., de Gouveia Dal Pino, E.M. et al. The diffuse gamma-ray flux from clusters of galaxies. Nat Commun 14, 2486 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38226-w