Fermi capta tormentas que lanzan antimateria al espacio

Los científicos que usan el Telescopio Espacial Fermi de Rayos gamma de la NASA, han detectado haces de antimateria producida por encima de las tormentas en la Tierra, un fenómeno nunca antes visto.

Fermi sobre Egipto, el día 14 de diciembre de 2009.
Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

Los científicos creen que las partículas de antimateria son formadas en un destello terrestre de rayos gamma (terrestrial gamma-ray flash, TGF), un breve estallido producido dentro de las tormentas eléctricas y que se ha demostrado que está asociado con los relámpagos. Se estima que ocurren alrededor de 500 TGFs diarios en el mundo, pero la mayor parte no son detectados.
"Estas señales son la primera evidencia directa de que las tormentas crean haces de partículas de antimateria", dice Michael Briggs, miembro del equipo del Monitor de Estallidos de Rayos Gamma de Fermi (GBM) en la Universidad de Alabama en Huntsville (UAH). Presentó los hallazgos durante una conferencia de prensa en la reunión de la Sociedad Astronómica Americana en Seattle.
Fermi está diseñado para monitorear los rayos gamma, la forma de la luz de mayor energía. Cuando la antimateria que impacta a Fermi colisiona con una partícula de materia normal, ambas partículas son aniquiladas inmediatamente y transformadas en rayos gamma. El GBM ha detectado rayos gamma con energías de 511.000 electronvoltios, una señal que indica que un electrón se ha encontrado con su homólogo de antimateria, un positrón.
Aunque el GBM de Fermi está diseñado para observar eventos de alta energía en el Universo, también proporciona información valiosa sobre este extraño fenómeno. El GBM monitorea constantemente todo el cielo por encima y debajo de la Tierra. El equipo del GBM ha identificado 130 TGFs desde que Fermi fue lanzado en 2008.
"En órbita por menos de 3 años, la misión Fermi ha probado ser una asombrosa herramienta para estudiar el Universo. Ahora sabemos que puede descubrir misterios muchísimo más cercanos a casa", dijo Ilana Harrus, científica del programa Fermi en las oficinas centrales de la NASA en Washington.
La nave espacial estuvo situada inmediatamente por encima de una tormenta eléctrica durante para la mayor parte de los TGFs observados, pero en cuatro casos, las tormentas estaban lejos de Fermi. Además, las señales de radio generadas por los rayos, detectadas por una red de monitoreo global, indicaban que el único rayo en ese momento estaba a muchos kilómetros de distancia. Durante un TGF, que ocurrió el 14 de diciembre de 2009, Fermi estaba situado sobre Egipto. Pero la tormenta activa estaba en Zambia, a unos 4.500 kilómetros al sur. La lejana tormenta estaba bajo el horizonte de Fermi, por lo que cualquier rayo gamma producido no podría haber sido detectado.
"Incluso aunque Fermi no podía ver la tormenta, la nave espacial, sin embargo, estaba magnéticamente conectada a la misma", dijo Joseph Dwyer del Instituto Tecnológico de Florida en Melbourne, Florida. "El TGF produjo electrones y positrones de alta velocidad, los que siguieron las líneas del campo magnético terrestre para impactar en la nave espacial".
El haz continuó más allá de Fermi, alcanzando una zona, conocida como punto espejo, donde el movimiento fue invertido, y luego impacta en la nave espacial por segunda vez, 23 milisegundos más tarde. Cada vez, los positrones en el haz colisionaron con electrones en la nave espacial. Las partículas se aniquilaron entre sí, emitiendo los rayos gamma detectados por el GBM de Fermi.
Los científicos han sospechado desde hace tiempo que los TGFs surgen desde los potentes campos eléctricos cerca de la parte superior de las tormentas eléctricas. Bajo las condiciones adecuadas, dijeron, el campo se hace lo suficientemente fuerte para dirigir una avalancha de electrones hacia arriba. Alcanzando velocidades cercanas a las de la luz, los electrones de alta energía emiten rayos gamma cuando son desviados por las moléculas del aire. Normalmente, estos rayos gamma son detectados como TGFs.
Pero la cascada de electrones produce tantos rayos gamma que lanzan electrones y positrones que limpian completamente la atmósfera. Esto sucede cuando la energía de los rayos gamma se transforma en un par de partículas: un electrón y un positrón. Estas son las partículas que llegan a la órbita de Fermi.
La detección de positrones demuestra que muchas partículas de alta energía están siendo expulsadas de la atmósfera. De hecho, ahora los científicos creen que todos los TGFs emiten haces de electrones/positrones. Un artículo sobre los descubrimientos ha sido aceptado para ser publicado en la revista Geophysical Research Letters.
"Los resultados de Fermi nos dejan un paso más cerca de comprender cómo funcionan los TGFs", dijo Steven Cummer en la Universidad de Duke. "Aún tenemos que descubrir qué es lo que hace especial a estas tormentas y el papel preciso que juegan los rayos en el proceso".
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