Investigadores israelíes lograron medir partículas invisibles conocidas como rayos cósmicos en el interior de una nube de polvo situada a 400 años luz de la Tierra. El estudio, revisado por pares, detectó partículas que nunca se habían observado en ese entorno y podría ayudar a explicar cómo nacen las estrellas.
“Estos rayos cósmicos son cruciales para nuestra comprensión del proceso de formación de nuevas estrellas”, afirmó el investigador principal, el profesor Shmuel Bialy, de la Facultad de Física del Technion–Instituto Tecnológico de Israel. “Esto abre la puerta a todo un nuevo campo de investigación en la astrofísica moderna”.
El equipo internacional dirigido por Bialy usó observaciones del Telescopio Espacial James Webb de la NASA. Con esos datos, midió la radiación infrarroja vinculada a los efectos de los rayos cósmicos tras su entrada en la gigantesca nebulosa Barnard 68, ubicada en la constelación de Ofiuco.
“Nadie pensó que sería posible observar estos rayos cósmicos porque nunca se habían visto antes”, explicó Bialy. “Ahora mostramos que es posible. Fuimos los primeros en observarlos, y la señal fue fuerte y clara”.
El grupo destacó que el hallazgo se conecta de manera directa con la formación estelar. “Es importante para la gente en la Tierra porque investigamos cómo se forman las estrellas”, indicó Amit Chemke, de 27 años, estudiante de maestría en el grupo de Bialy y coautor del artículo. “Nuestro Sol se formó hace miles de millones de años, pero ¿cómo se forman otros soles?”.
Chemke señaló que el término “rayos cósmicos” puede resultar “confuso”, porque esos “rayos” no son radiación ni se relacionan de forma directa con la luz. Según dijo, Victor F. Hess los descubrió en 1912 y el nombre permaneció desde entonces como denominación habitual.
“En realidad son partículas de materia —protones, electrones y núcleos atómicos—”, indicó Chemke. “Estas partículas de alta energía zumban por la galaxia” casi a la velocidad de la luz. Por eso, al chocar con nubes de polvo, o nebulosas, provocan efectos físicos y químicos en su interior.
Una nebulosa es una nube inmensa que ocupa el espacio entre estrellas. En la galaxia abundan estas estructuras, compuestas por polvo y gases, entre ellos hidrógeno y helio. “El Sol es como un grano de sal en comparación con estas nubes”, comentó Bialy. Algunas nacen del material expulsado por explosiones de estrellas moribundas, y otras actúan como zonas donde empieza la formación de nuevas estrellas.
En ese marco, Chemke explicó que, tras impactar una nebulosa, las partículas de los rayos cósmicos pueden atravesarla por completo. Ese impacto hace que las moléculas de hidrógeno dentro de la nube vibren, y la vibración genera radiación infrarroja, que los investigadores pudieron medir con sus instrumentos.
Chemke agregó que, en el interior de la nebulosa, los rayos cósmicos activan reacciones químicas que producen moléculas nuevas, como agua, amoníaco y metanol. “Los rayos cósmicos tienen un efecto en el proceso de formación estelar”, resumió. Esa influencia forma parte de lo que el equipo buscó caracterizar con estas mediciones.
Bialy señaló que, durante décadas, la comunidad científica observó radiación infrarroja emitida por estrellas masivas y calientes. “Estas estrellas calientes emiten intensa radiación UV en lugares como la Nebulosa de Orión, por ejemplo”. En cambio, la señal ligada a los rayos cósmicos en nebulosas es mucho más tenue, y muchos sostenían que no tenía la intensidad necesaria.
Pese a ese escepticismo, durante la pandemia de COVID-19, Bialy retomó una teoría planteada décadas atrás sobre la radiación que los rayos cósmicos podían generar en nebulosas. “Simplemente seguí adelante porque disfrutaba el proceso de hacer las ecuaciones, calcularlo todo”, relató. “Pensé que incluso si nunca lo observamos, me divierto”.
Bialy recordó que su interés por la física y la astronomía empezó en la infancia. Creció en Rusia antes de que su familia emigrara a Israel, y, según contó, sus padres le dijeron que pronunció su primera frase en ruso una noche, cuando exclamó: “¡Mira, mira, una estrella!”.
Más tarde, durante su posdoctorado en el Harvard Smithsonian Center for Astrophysics en Cambridge, se hizo amigo del astrónomo italiano Sirio Belli, especializado en observación infrarroja. Bialy compartió con él sus cálculos y ambos decidieron intentarlo pese a la desconfianza general. “Dijimos: intentémoslo. Aunque la gente diga que nunca podremos observarlo, ¿por qué no?”, recordó.
Con esa meta, instalaron un telescopio en un observatorio de Arizona e hicieron exposiciones muy largas, con un total de 20 horas dedicadas a nebulosas. Sin embargo, el resultado no arrojó ninguna señal. Frente a ese límite instrumental, ambos optaron por pedir tiempo en el Telescopio Espacial James Webb de la NASA, que Bialy calificó como “un instrumento mucho más sensible que cualquier cosa que tengamos en la Tierra”.
El telescopio, lanzado en diciembre de 2021, orbita el Sol a unos 1,5 millones de kilómetros (930.000 millas) de la Tierra. Bialy explicó que la competencia por su uso es muy elevada: por cada 10 propuestas que recibe la NASA, solo escoge una. “Después de algunos intentos, nos aprobaron”, dijo. “Obtuvimos ocho horas de tiempo de investigación en el Telescopio Espacial James Webb”.
La selección del objetivo respondió a condiciones físicas específicas. Barnard 68, unas 2 millones de veces más grande que el Sol, es una nebulosa fría y densa, con temperaturas de 10 a 20 kelvin, apenas por encima del cero absoluto. Según las predicciones, colapsará en unos 200.000 años y originará una nueva estrella.
Mientras ese colapso no ocurre, el equipo detectó la radiación infrarroja que emiten las moléculas de hidrógeno tras la vibración inducida dentro de la nebulosa. David Neufeld, profesor de física y astronomía en la Universidad Johns Hopkins e integrante del estudio, afirmó que los datos del telescopio de la NASA “han abierto una ventana completamente nueva a la astrofísica de los rayos cósmicos”.
Tras esta primera detección, el equipo recibió otras 50 horas de observaciones espaciales para analizarlas. “Esto nos permitirá medir de manera efectiva la intensidad de los rayos cósmicos en muchos lugares de la galaxia”, señaló Bialy. “Y, en última instancia, en los próximos años, planeamos ampliarlo aún más, quizá a muchas decenas de nebulosas a nuestro alrededor para medir la distribución de los rayos cósmicos en todo el espacio galáctico”.