Un equipo liderado por el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) ha identificado, por primera vez, una población de protoestrellas emisoras de rayos gamma, la forma más energética de luz que existe en el universo. El hallazgo, publicado en Nature Astronomy, demuestra que los chorros de materia expulsados por estas estrellas todavía en formación pueden acelerar protones con una eficiencia comparable a la de fenómenos mucho más extremos, como las supernovas o los agujeros negros activos.
El estudio comparó el catálogo más completo de fuentes de rayos gamma obtenido por el telescopio espacial Fermi con las posiciones de objetos estelares jóvenes recogidas en el sondeo RMS (Red MSX Source Survey). El cruce de datos reveló 33 asociaciones probables entre ambos tipos de objetos, suficientes para bautizar una nueva categoría astrofísica: las protoestrellas luminosas en rayos gamma, o Gamma-Loud Protostars.
“Aparte de confirmar la importancia y el impacto que estos chorros de materia tienen en su entorno, hemos sido capaces de relacionar la energía de los rayos gamma detectados con la potencia de su fuente emisora”, explica Javier Méndez Gallego, investigador del IAA-CSIC y líder del estudio. El trabajo convierte a estas protoestrellas en un laboratorio natural inédito para estudiar el origen de los rayos cósmicos, una de las grandes incógnitas de la astrofísica actual, y sienta las bases para futuras observaciones que profundicen en la física de estos aceleradores en formación.
Un vivero estelar convertido en acelerador de partículas
Toda estrella nace de un colapso. Cuando una región de una nube molecular de gas y polvo cede ante su propia gravedad, comienza a formarse una protoestrella: un astro todavía en construcción, alimentado por la materia que cae hacia él. Ese proceso de caída no es tranquilo. La materia interactúa con intensos campos magnéticos que expulsan parte del material sobrante hacia el espacio en forma de chorros, capaces de alcanzar velocidades de cientos de kilómetros por segundo.
Hasta ahora, estos chorros se consideraban sobre todo un mecanismo para regular el crecimiento de la estrella, liberando el exceso de momento angular que impediría su formación. El nuevo estudio añade una capa adicional: en determinadas condiciones, esos mismos chorros pueden comportarse como auténticos aceleradores de partículas, capaces de producir rayos gamma con una eficiencia que hasta ahora solo se había documentado en objetos mucho más energéticos.
33 pistas en el cielo para cazar una nueva población
Encontrar protoestrellas emisoras de rayos gamma no fue sencillo. El equipo, integrado en su amplia mayoría por miembros del IAA-CSIC, tuvo que cruzar dos catálogos de naturaleza muy distinta: por un lado, las fuentes de rayos gamma detectadas por el telescopio Fermi de la NASA; por otro, el censo de objetos estelares jóvenes del sondeo RMS. Cuando ambas listas coincidían en la misma región del cielo, los investigadores tenían un candidato a protoestrella luminosa en rayos gamma.
El resultado, 33 asociaciones probables, puede parecer modesto, pero constituye la primera evidencia sistemática de que este fenómeno no es un caso aislado, sino una población real dentro de nuestra galaxia. Los rayos gamma suelen asociarse a explosiones de supernova o a agujeros negros activos, de manera que su detección en asociación con estrellas recién nacidas obliga a ampliar el catálogo de objetos capaces de generar esta radiación tan extrema.
Cuando un chorro estelar se convierte en un acelerador de protones
¿Cómo consigue una estrella en formación producir un fenómeno tan energético? El estudio propone que la clave está en el choque. Cuando los chorros expulsados por la protoestrella impactan contra el gas que la rodea, ese encontronazo actúa como un acelerador natural, capaz de impulsar protones hasta velocidades cercanas a la de la luz. Es precisamente esa aceleración la que, según el equipo, da lugar a la emisión de rayos gamma observada por Fermi.
Los datos, además, muestran una correlación directa entre la energía de los rayos gamma detectados y la potencia de los chorros emitidos por cada protoestrella. “Esta conexión nos ha permitido vincular directamente la emisión gamma con la actividad de los chorros y confirmar que estos objetos actúan como aceleradores eficientes de protones”, señala Rubén López-Coto, investigador del IAA-CSIC y segundo autor del trabajo. Cuanto más potente es el chorro, más energéticos son los rayos gamma que produce, una relación que refuerza la idea de que el propio proceso de formación estelar puede ser fuente de partículas de alta energía.
Una ventana al universo no térmico
Los rayos gamma constituyen una de las herramientas más valiosas para rastrear los procesos más violentos del cosmos. “Los rayos gamma constituyen una ventana observacional al universo no térmico, donde fuentes astronómicas extremas, como agujeros negros y púlsares, actúan como aceleradores naturales de partículas”, explica Emma de Oña Wilhelmi, investigadora en DESY y coautora del estudio. Estas partículas, añade, viajan por el espacio a velocidades cercanas a la de la luz e interactúan con su entorno, provocando importantes cambios energéticos y químicos allí por donde pasan.
El origen de los rayos cósmicos —esas partículas de alta energía, compuestas sobre todo por protones, que bombardean constantemente la Tierra— sigue siendo uno de los grandes misterios de la astrofísica. Hasta ahora, la lista de sospechosos habituales incluía restos de supernova, núcleos galácticos activos o púlsares. Las protoestrellas emisoras de rayos gamma se incorporan ahora a esa lista como una fuente inesperada, presente además en una fase muy temprana de la vida estelar.
Un nuevo laboratorio para entender los rayos cósmicos
El hallazgo no cierra la investigación, sino que la abre. “Nuestros resultados muestran que estas protoestrellas constituyen un nuevo laboratorio natural para estudiar cómo se aceleran los rayos cósmicos, de forma que futuras observaciones permitirán comprender mejor la física que se esconde detrás de esta emisión”, concluye Méndez Gallego. El equipo espera que instrumentos de próxima generación, capaces de observar el cielo en rayos gamma con mayor sensibilidad, permitan ampliar el catálogo de 33 candidatas y precisar los detalles del mecanismo de aceleración.
Mientras tanto, la imagen de cómo nace una estrella se ha vuelto un poco más compleja. Ya no basta con pensar en una bola de gas colapsando bajo su propia gravedad: en algunos casos, ese proceso de nacimiento genera también algunos de los fenómenos más energéticos que la astrofísica es capaz de detectar, tendiendo un puente inesperado entre las estrellas más jóvenes del universo y sus objetos más extremos.
