El Telescopio de Electrones CALorimétrico (CALET), a bordo de la Instalación Expuesta (EF) de Kibo de la Estación Espacial Internacional, ha estado en una misión para medir el flujo de partículas de rayos cósmicos desde 2015. En un nuevo estudio, un equipo internacional de investigadores informa la resultados de una medición directa del espectro de helio de rayos cósmicos utilizando los datos recopilados por CALET. En contraste con la ley de potencia única que anteriormente se creía que existía, el análisis de los datos de flujo recopilados entre 2015 y 2022 revela que la distribución de energía de los núcleos de helio de rayos cósmicos sigue una ley de potencia de doble ruptura.

Gran parte de nuestra comprensión del Universo y sus misteriosos fenómenos se basa en interpretaciones teóricas. Para profundizar la comprensión de los objetos distantes y los fenómenos energéticos, los astrónomos observan los rayos cósmicos, que son partículas cargadas de alta energía compuestas de protones, electrones, núcleos atómicos y otras partículas subatómicas. Dichos estudios han revelado que los rayos cósmicos contienen todos los elementos que conocemos en la tabla periódica, lo que sugiere que estos elementos se originan en estrellas y eventos de alta energía como las supernovas. Además, debido a su naturaleza cargada, el camino de los rayos cósmicos a través del espacio está influenciado por los campos magnéticos de los fenómenos y objetos interestelares.

Las observaciones detalladas de los rayos cósmicos pueden, por lo tanto, no solo arrojar luz sobre los orígenes de estas partículas, sino también decodificar la existencia de objetos y fenómenos de alta energía, como restos de supernovas, púlsares e incluso materia oscura. En un esfuerzo por observar mejor las radiaciones de alta energía, Japón, Italia y EE. UU. establecieron en colaboración el Telescopio de electrones CALorimétrico (CALET) en la Estación Espacial Internacional en 2015.

En 2018, las observaciones del espectro de protones de rayos cósmicos de 50 GeV a 10 TeV revelaron que el flujo de partículas de protones a altas energías era significativamente mayor de lo esperado. Estos resultados se desviaron de los modelos convencionales de aceleración y propagación de rayos cósmicos que asumen una « distribución de ley de potencia única », en la que el número de partículas disminuye con el aumento de la energía.

En consecuencia, en un estudio publicado en 2022, el equipo de CALET, incluidos investigadores de la Universidad de Waseda, encontró protones de rayos cósmicos en el rango de energía de 50 GeV a 60 TeV para seguir una « Ley de potencia rota doble ». Esta ley supone que el número de partículas de alta energía aumenta inicialmente hasta 10 TeV (conocido como endurecimiento espectral) y luego disminuye con un aumento de energía (conocido como ablandamiento espectral).

Ampliando aún más estas observaciones, el equipo ahora ha encontrado tendencias similares de endurecimiento y ablandamiento espectral en el espectro de helio de rayos cósmicos capturado en una amplia gama de energía, desde 40 GeV a 250 TeV.

El estudio, publicado en la revista Physical Review Letters el 27 de abril de 2023, fue dirigido por el profesor asociado Kazuyoshi Kobayashi de la Universidad de Waseda, Japón, junto con las contribuciones del profesor emérito Shoji Torii, investigador principal del proyecto CALET, también afiliado a la Universidad de Waseda. y el asistente de investigación Paolo Brogi de la Universidad de Siena en Italia.

« CALET ha observado con éxito la estructura espectral de energía del helio de rayos cósmicos, especialmente el endurecimiento espectral a partir de alrededor de 1,3 TeV y la tendencia de ablandamiento a partir de alrededor de 30 TeV », dice Kobayashi.

Estas observaciones se basan en datos recopilados por CALET a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS) entre 2015 y 2022. Estas observaciones, que representan el rango de energía más grande hasta la fecha para partículas de núcleos de helio cósmico, proporcionan evidencia adicional de la desviación del flujo de partículas de la potencia única. -modelo de ley. Los investigadores notaron que la desviación de la distribución esperada de la ley de potencia estaba a más de ocho desviaciones estándar de la media, lo que indica una probabilidad muy baja de que esta desviación ocurra por casualidad.

En particular, el endurecimiento espectral inicial observado en estos datos sugiere que puede haber fuentes o mecanismos únicos que sean responsables de acelerar y propagar los núcleos de helio a altas energías. El descubrimiento de estas características espectrales también está respaldado por observaciones recientes del Dark Matter Particle Explorer y cuestiona nuestra comprensión actual del origen y la naturaleza de los rayos cósmicos.

« Estos resultados contribuirían significativamente a la comprensión de la aceleración de los rayos cósmicos en el remanente de supernova y el mecanismo de propagación », dice Torii.

Estos hallazgos, sin duda, mejoran nuestra comprensión del Universo. Incluso mientras nos preparamos para misiones tripuladas a la Luna y Marte, la distribución de energía de las partículas de rayos cósmicos también puede proporcionar una mayor comprensión del entorno de radiación en el espacio y sus efectos en los astronautas.