El misterio de los positrones galácticos

El telescopio de rayos gamma de la ESA, INTEGRAL, resuelve uno de los misterios sobre la formación de antimateria en el centro galáctico

CELIA SÁNCHEZ 16 NOV 2009 - 14:22 CET

La antimateria no es sólo un término de ciencia ficción. Las partículas de antimateria se crean y se destruyen cotidianamente en los aceleradores de partículas y también en nuestra galaxia. En las regiones centrales de la Vía Láctea se produce abundantemente antimateria. Los astrónomos estudian este proceso desde que detectaron su existencia, en la década de los setenta. El telescopio de rayos gamma de la Agencia Europea del Espacio (ESA), INTEGRAL, ha resuelto ahora uno de los misterios relacionados con la formación de antimateria en el centro galáctico.

Un positrón es la antipartícula del electrón, es decir, una partícula que tiene la misma masa que el electrón y la misma carga, aunque de signo opuesto. Las leyes de la física nos dicen que si un electrón y un positrón colisionan, se aniquilan, y del proceso resultan dos o más fotones. En los casos en que el positrón y el electrón en colisión no sean partículas muy energéticas, el resultado suele ser la emisión de dos fotones, cada uno con una energía igual a la energía en reposo del electrón (o del positrón, no olvidemos que sus masas son iguales), es decir 511 kelectronvoltios (keV).

La detección de radiación con esta energía, que cae en el dominio de los rayos gamma, se considera una señal inequívoca de que está teniendo lugar la aniquilación de electrones y positrones, es decir, de materia y antimateria. Y ésa es justamente la emisión que se detecta en el centro de la Vía Láctea. Se sabe que es un proceso relacionado con las explosiones de supernova o con estrellas muy masivas. La principal fuente de positrones en la Vía Láctea es el decaimiento radiactivo de isótopos de níquel (56Ni), titanio (44Ti) y aluminio (26Al), que han sido expulsados al medio interestelar durante las explosiones de supernovas o por vientos estelares de las llamadas estrellas Wolf Rayet, muy masivas.

54 millones de segundos

Los instrumentos del satélite INTEGRAL detectan precisamente rayos gamma. El análisis de 54 millones de segundos de observación realizados por INTEGRAL ha permitido elaborar un mapa detallado de las zonas de emisión de radiación de 511 keV en la Vía Láctea. Así se ha visto que la emisión se concentra fundamentalmente en la región central de nuestra galaxia, pero también se detecta el disco galáctico. La emisión en el disco no es simétrica, es decir, la cantidad de radiación emitida no es la misma a uno y otro lado del centro de la galaxia.

Pero aún hay más. La diferencia de luminosidades entre el centro y el disco galáctico es cuatro veces superior a la diferencia entre la densidad de supernovas (y por tanto de la producción esperada de positrones) en una y otra región. Es decir, en función de la radiación emitida en ambas regiones, cabría esperar que en el centro de la galaxia se detectaran más supernovas que en el disco. Y no es así. ¿A qué se deben entonces las diferencias en la cantidad de antimateria? ¿Qué hay que no encaja en la teoría? Estos hallazgos obligaron a los expertos a revisar sus teorías sobre la producción de positrones.

Más antimateria en el centro

Finalmente, los astrónomos han dado con la solución al interrogante de los positrones galácticos. Una de las hipótesis de partida suponía que el positrón, al ser una partícula cargada, se vería afectado por los campos magnéticos en nuestra galaxia, y no sería capaz de viajar muy lejos de las zonas donde había sido generado antes de ser aniquilado. Es decir, detectar radiación de 511 keV en regiones donde no hay fuentes conocidas de positrones implicaría la existencia de otras fuentes de producción de positrones, no consideradas hasta el momento. En realidad, este planteamiento no es válido: no es correcto suponer que los positrones no pueden alejarse de las zonas donde fueron creados. Los positrones sí pueden viajar grandes distancias en la galaxia, porque la interacción con fluctuaciones magnéticas no es tan intensa como para afectarles significativamente.

Si a esta movilidad de los positrones añadimos que hay mucha más densidad de materia y antimateria en la región central de la galaxia que en disco, la explicación al misterio es sencilla. Los positrones producidos en el disco, donde la densidad es menor, pueden alejarse mucho de sus zonas de producción. Los positrones producidos en el centro galáctico, en cambio, donde la densidad es más alta, tienen mayor probabilidad de ser aniquilados cerca de donde fueron creados, produciendo por tanto la mayor intensidad en la emisión de 511 keV en el centro galáctico que efectivamente se observa.

Celia Sánchez es astrónoma del telescopio INTEGRAL, de la ESA

¿Por qué hay más materia que antimateria?

Uno de los principales misterios de la física es por qué el universo observable está hecho en su mayor parte de materia. La teoría dice que en el universo temprano, muy poco después del Big Bang, las cantidades de materia y antimateria debieron de estar en equilibrio; algo debió de ocurrir para que la mayor parte de la antimateria decayera o fuera aniquilada. La existencia de la antimateria no fue confirmada experimentalmente hasta 1932. Los rayos cósmicos de alta energía que impactan en la atmósfera terrestre generan cantidades pequeñas de antimateria. También en los aceleradores de partículas, como el LHC que comienza a ponerse en marcha en el CERN, cerca de Ginebra, se produce antimateria.

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Ilustración del telescopio de rayos gamma de la Agencia Europea del Espacio, INTEGRAL.

Mapa del cielo con el centro galáctico en el medio. Los puntos muestran la emisión de 511Kev procedente de la aniquilación de los electrones y sus antipartículas, los positrones. A la derecha, una población de estrellas binarias también observada por el telescopio INTEGRAL. / ESA / Integral / MPE

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