La ilustración de un artista de un blazar como el que recientemente descubrió que acelera los neutrinos y los rayos cósmicos a velocidades tremendas. El agujero negro supermasivo en el centro del disco de acreción envía un chorro de materia estrecho de alta energía al espacio, perpendicular al disco.
(Imagen: © DESY, Science Communication Lab)
Los astrónomos han rastreado un neutrino de alta energía hasta su fuente cósmica por primera vez, resolviendo un misterio centenario en el proceso.
Los neutrinos son partículas subatómicas casi sin masa que no tienen carga eléctrica y, por lo tanto, rara vez interactúan con su entorno. De hecho, billones de estas "partículas fantasmas" fluyen a través de su cuerpo sin ser notadas y sin obstáculos cada segundo.
La mayoría de estos neutrinos provienen del sol. Pero un pequeño porcentaje, que cuenta con energías extremadamente altas, se ha disparado a nuestro cuello del bosque desde el espacio muy profundo. La elusividad inherente de los neutrinos ha impedido a los astrónomos precisar el origen de tales vagabundos cósmicos, hasta ahora. [Rastreando un neutrino hasta su origen: el descubrimiento en imágenes]
Las observaciones realizadas por el Observatorio de Neutrinos IceCube en el Polo Sur y una serie de otros instrumentos permitieron a los investigadores rastrear un neutrino cósmico hasta un blazar distante, una enorme galaxia elíptica con un agujero negro supermasivo que gira rápidamente en su corazón.
Y hay más. Los neutrinos cósmicos van de la mano con los rayos cósmicos, partículas cargadas altamente energéticas que golpean nuestro planeta continuamente. Entonces, el nuevo hallazgo clava a los blazars como aceleradores de al menos algunos de los rayos cósmicos que se mueven más rápido también.
Los astrónomos se han preguntado acerca de esto desde que los rayos cósmicos fueron descubiertos por primera vez, en 1912. Pero la naturaleza cargada de partículas los ha frustrado, lo que dicta que los rayos cósmicos son arrastrados de esta manera y por varios objetos a medida que se acercan al espacio. El éxito finalmente vino de usar el viaje en línea recta de una partícula fantasma de un compañero de viaje.
"Hemos estado buscando las fuentes de los rayos cósmicos durante más de un siglo, y finalmente encontramos uno", dijo a Space Francis Halzen, científico principal del Observatorio de Neutrinos IceCube y profesor de física en la Universidad de Wisconsin-Madison. com. [Física loca: las pequeñas partículas más geniales de la naturaleza]
Un esfuerzo de equipo
IceCube, administrado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF), es un cazador de neutrinos dedicado. La instalación consta de 86 cables, que se encuentran dentro de pozos que se extienden aproximadamente 1.5 millas (2.5 kilómetros) en el hielo antártico. Cada cable, a su vez, contiene 60 "módulos ópticos digitales" del tamaño de una pelota de baloncesto, que están equipados con detectores de luz sensibles.
Estos detectores están diseñados para captar la característica luz azul emitida después de que un neutrino interactúa con un núcleo atómico. (Esta luz es expulsada por una partícula secundaria creada por la interacción. Y en caso de que se esté preguntando: todo ese hielo superpuesto impide que partículas que no sean neutrinos lleguen a los detectores y ensucian los datos). Estos son eventos raros; IceCube detecta solo un par de cientos de neutrinos por año, dijo Halzen.
La instalación ya ha hecho grandes contribuciones a la astronomía. En 2013, por ejemplo, IceCube realizó la primera detección confirmada de neutrinos desde más allá de la galaxia, la Vía Láctea. Los investigadores no pudieron precisar la fuente de esas partículas fantasmas de alta energía en ese momento.
Sin embargo, el 22 de septiembre de 2017, IceCube recogió otro neutrino cósmico. Era extremadamente enérgico, con aproximadamente 300 voltios de teraelectrones, casi 50 veces mayor que la energía de los protones que circulan por el acelerador de partículas más poderoso de la Tierra, el Gran Colisionador de Hadrones.
Dentro de 1 minuto de la detección, la instalación envió una notificación automática, alertando a otros astrónomos sobre el hallazgo y transmitiendo las coordenadas al parche de cielo que parecía albergar la fuente de la partícula.
La comunidad respondió: casi 20 telescopios en el suelo y en el espacio recorrieron ese parche a través del espectro electromagnético, desde ondas de radio de baja energía hasta rayos gamma de alta energía. Las observaciones combinadas rastrearon el origen del neutrino hasta un blazar ya conocido llamado TXS 0506 + 056, que se encuentra a unos 4 mil millones de años luz de la Tierra.
Por ejemplo, las observaciones de seguimiento de varios instrumentos diferentes, incluido el telescopio espacial de rayos gamma Fermi en órbita terrestre de la NASA y el telescopio Cherenkov de imágenes gamma atmosféricas principales (MAGIC) en las Islas Canarias, revelaron un potente estallido de luz de rayos gamma que se proyecta desde TXS 0506 + 056. [Universo de rayos gamma: fotos del telescopio espacial Fermi de la NASA]
El equipo de IceCube también revisó sus datos de archivo y encontró más de una docena de otros neutrinos cósmicos que parecían provenir del mismo blazar. Los detectores recogieron estas partículas adicionales desde finales de 2014 hasta principios de 2015.
"Todas las piezas encajan", dijo Albrecht Karle, científico sénior de IceCube y profesor de física de UW-Madison, en un comunicado. "La erupción de neutrinos en nuestros datos de archivo se convirtió en una confirmación independiente. Junto con las observaciones de los otros observatorios, es una evidencia convincente de que este blazar es una fuente de neutrinos extremadamente enérgicos y, por lo tanto, rayos cósmicos de alta energía".
Los hallazgos se informan en dos nuevos estudios publicados en línea hoy (12 de julio) en la revista Science. Puedes encontrarlos aquí y aquí.
Astrofísica multimessenger en aumento
Los Blazar son un tipo especial de galaxia activa superluminosa que dispara chorros gemelos de luz y partículas, uno de los cuales está dirigido directamente a la Tierra. (Eso es en parte por qué los blazars nos parecen tan brillantes, porque estamos en la línea de fuego de reacción).
Los astrónomos han identificado varios miles de blazars en todo el universo, ninguno de los cuales todavía se ha encontrado que nos arroja neutrinos como lo es TXS 0506 + 056.
"Hay algo especial en esta fuente, y tenemos que descubrir qué es", dijo Halzen a Space.com.
Esa es solo una de las muchas preguntas planteadas por los nuevos resultados. Por ejemplo, a Halzen también le gustaría conocer el mecanismo de aceleración: ¿cómo, exactamente, hacen los blazars para que los neutrinos y los rayos cósmicos alcancen velocidades tan tremendas?
Halzen expresó optimismo acerca de responder tales preguntas en un futuro relativamente cercano, citando el poder de la "astrofísica multimessenger" - el uso de al menos dos tipos diferentes de señales para interrogar al cosmos - en exhibición en los dos nuevos estudios.
El descubrimiento de neutrinos sigue de cerca a otro hito multimessenger: en octubre de 2017, los investigadores anunciaron que habían analizado una colisión entre dos estrellas de neutrones superdensas al observar tanto la radiación electromagnética como las ondas gravitacionales emitidas durante el dramático evento.
"La era de la astrofísica multimessenger está aquí", dijo el director de NSF France Cordova en la misma declaración. "Cada mensajero, desde la radiación electromagnética, las ondas gravitacionales y ahora los neutrinos, nos da una comprensión más completa del universo y nuevas ideas importantes sobre los objetos y eventos más poderosos en el cielo".
