Rayos gamma detectados en protoestrellas aportan nuevos datos sobre el origen de los rayos cósmicos

Aunque las estrellas han sido objeto de estudio desde hace siglos, su formación sigue siendo un proceso enigmático, especialmente en el caso de las más masivas. Estas nacen en regiones muy densas de gas y polvo que dificultan su observación, y además son menos frecuentes que otras protoestrellas. Aun así, su impacto en el entorno es enorme: pueden lanzar potentes chorros de materia —o jets— que golpean el gas cercano y generan ondas de choque capaces de acelerar partículas casi a la velocidad de la luz. Estos procesos podrían estar detrás del origen de los rayos cósmicos, uno de los grandes misterios de la astrofísica.

Imagen óptica de HH 24 tomada con el telescopio espacial Hubble, un ejemplo de jet protoestelar. Crédito: NASA and ESA; Acknowledgment: NASA, ESA, the Hubble Heritage (STScI/AURA)/Hubble-Europe (ESA) Collaboration, D. Padgett (GSFC), T. Megeath (University of Toledo), and B. Reipurth (University of Hawaii)

Ahora, un equipo científico ha confirmado que el sistema HH 80-81 —uno de los jets más potentes conocidos, lanzado por una protoestrella muy masiva aún en formación— emite rayos gamma, la forma más energética de luz en el universo. Se trata de una detección poco común en este tipo de objetos, y plantea la pregunta de si este tipo de sistemas tienen la capacidad de acelerar protones, el principal componente de los rayos cósmicos que llegan a la Tierra. Los resultados se han publicado en la revista Astronomy & Astrophysics.

“Este descubrimiento es importante porque nos acerca un paso más a entender el origen de los rayos cósmicos, y demuestra que las estrellas en formación pueden jugar un papel clave en este misterio de más de cien años”, explica Javier Méndez, investigador del IAA-CSIC y autor principal del estudio.

En la misma línea, Rubén López Coto, segundo autor del trabajo e investigador también en el IAA-CSIC, añade: “Descubrir cuál es el origen de los rayos cósmicos es esencial para entender la evolución del universo, y esta es otra pieza en el puzzle para desvelar los procesos de aceleración de estas partículas en nuestra galaxia”.

UNA PROTOESTRELLA CAPAZ DE GENERAR RAYOS GAMMA

Hasta ahora, se sabía que ciertos objetos extremos del universo —como los remanentes de supernovas o los agujeros negros en núcleos galácticos activos— podían acelerar partículas a velocidades muy altas y generar rayos cósmicos: partículas diminutas, pero muy energéticas, que llegan de forma constante a la Tierra desde el espacio. Sin embargo, no estaba claro si fenómenos tan tempranos como la formación de una estrella también podían desempeñar ese papel.

Este estudio, liderado y desarrollado por el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC), ha demostrado por primera vez que un chorro de materia expulsado por una protoestrella masiva puede emitir rayos gamma. Este tipo de emisión solo puede generarse por partículas subatómicas aceleradas en entornos extremadamente violentos, donde los campos electromagnéticos desempeñan un papel fundamental. Esto sugiere que los jets protoestelares podrían formar parte del llamado universo no térmico.

Para llegar a este resultado, desde el IAA-CSIC se han analizado quince años de datos del telescopio espacial Fermi-LAT de la NASA, un observatorio espacial especializado en la observación de rayos gamma. Esta larga serie de observaciones ha permitido mejorar significativamente la sensibilidad respecto a estudios previos, y aislar con mayor precisión la señal asociada al chorro HH 80-81.

Ilustración del telescopio espacial de rayos gamma Fermi. Créditos: NASA’s Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab

“Dado que se trata de una fuente muy débil y situada cerca del plano de la Vía Láctea —una región con mucha emisión de fondo—, ha sido necesario aplicar criterios estrictos para filtrar los datos y centrarse solo en las energías más altas, donde la señal es más clara”, apunta el primer autor del estudio.

Además, el equipo investigador analizó con detalle el origen de la emisión detectada, ya que en la zona observada existen varias fuentes que podrían ser responsables. Sin embargo, las características no térmicas previamente detectadas en radio frecuencias y rayos X del jet HH 80-81, junto con su coincidencia exacta con la región de emisión, lo señalan como el candidato más probable. Estos resultados sugieren que HH 80-81 podría generar rayos gamma a través de procesos de aceleración de partículas, lo que refuerza su posible papel como una posible fuente de los rayos cósmicos que llegan hasta la Tierra.

Vista del plano galáctico en la esfera celeste con rayos gamma con el satélite Fermi-LAT. Créditos: J. Méndez-Gallego & S. Menchiari

“El estudio abre así nuevas vías para investigar este tipo de sistemas usando rayos gamma, y plantea la necesidad de futuras observaciones para conocer mejor la física extrema que se esconde en el nacimiento de las estrellas más masivas”, asegura Javier Méndez (IAA-CSIC). Y concluye: “Además, abre una nueva ventana para estudiar cómo estos objetos extremos influyen en la evolución del medio interestelar y en la dinámica de nuestra galaxia”.