En esta representación artística, un blazar está acelerando protones que producen piones, que producen neutrinos y rayos gamma. Los neutrinos son siempre el resultado de una reacción hadrónica como la que se muestra aquí. Los rayos gamma se pueden producir tanto en interacciones hadrónicas como electromagnéticas. (ICECUBE / NASA)

Una primicia cósmica: se encuentran neutrinos de energía ultraalta, de galaxias ardientes en todo el universo

En 1987, detectamos neutrinos de otra galaxia en una supernova. Después de 30 años de espera, hemos encontrado algo aún mejor.

Uno de los grandes misterios en la ciencia es determinar no solo lo que está ahí afuera, sino lo que crea las señales que detectamos aquí en la Tierra. Durante más de un siglo, hemos sabido que atravesar el Universo son rayos cósmicos: partículas de alta energía que se originan desde mucho más allá de nuestra galaxia. Si bien se han identificado algunas fuentes de estas partículas, la gran mayoría de ellas, incluidas las que tienen más energía, siguen siendo un misterio.

A partir de hoy, todo eso ha cambiado. La colaboración de IceCube, el 22 de septiembre de 2017, detectó un neutrino de ultra alta energía que llegó al Polo Sur y pudo identificar su fuente. Cuando una serie de telescopios de rayos gamma miraron esa misma posición, no solo vieron una señal, sino que identificaron un blazar, que en ese mismo momento estaba ardiendo. Por fin, la humanidad ha descubierto al menos una fuente que crea estas partículas cósmicas ultra energéticas.

Cuando los agujeros negros se alimentan de materia, crean un disco de acreción y un chorro bipolar perpendicular a él. Cuando un chorro de un agujero negro supermasivo nos señala, lo llamamos un objeto BL Lacertae o un blazar. Ahora se cree que esta es una fuente importante de rayos cósmicos y neutrinos de alta energía. (NASA / JPL)

El Universo, dondequiera que miremos, está lleno de cosas para mirar e interactuar. La materia se agrupa en galaxias, estrellas, planetas e incluso personas. La radiación fluye a través del Universo, cubriendo la totalidad del espectro electromagnético. Y en cada centímetro cúbico del espacio, se pueden encontrar cientos de partículas fantasmales de pequeñas masas conocidas como neutrinos.

Al menos, podrían encontrarse si interactuaban con una frecuencia apreciable con la materia normal que sabemos manipular. En cambio, un neutrino tendría que pasar a través de un año luz de plomo para tener un disparo de 50/50 de colisionar con una partícula allí. Durante décadas después de su propuesta en 1930, no pudimos detectar el neutrino.

Reactor nuclear experimental RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, que muestra la radiación característica de Cherenkov de las partículas emitidas más rápido que la luz en el agua. Los neutrinos (o más exactamente, los antineutrinos) hipotetizados por primera vez por Pauli en 1930 se detectaron en un reactor nuclear similar en 1956. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

En 1956, los detectamos por primera vez instalando detectores justo afuera de los reactores nucleares, a solo unos metros de donde se producen los neutrinos. En la década de 1960, construimos detectores suficientemente grandes, subterráneos, protegidos de otras partículas contaminantes, para encontrar los neutrinos producidos por el Sol y por colisiones de rayos cósmicos con la atmósfera.

Luego, en 1987, fue solo la casualidad lo que nos dio una supernova tan cerca de casa que pudimos detectar neutrinos a partir de ella. Los experimentos que se realizaron con fines totalmente ajenos detectaron los neutrinos del SN 1987A, marcando el comienzo de la era de la astronomía multi-mensajera. Los neutrinos, por lo que podíamos ver, viajaban a través del Universo a energías indistinguibles de la velocidad de la luz.

El remanente de la supernova 1987a, ubicada en la Gran Nube de Magallanes a unos 165,000 años luz de distancia. El hecho de que los neutrinos llegaran horas antes de la primera señal de luz nos enseñó más sobre la duración de la luz para propagarse a través de las capas de una supernova de la estrella que sobre la velocidad a la que viajan los neutrinos, que era indistinguible de la velocidad de la luz. Los neutrinos, la luz y la gravedad parecen viajar ahora a la misma velocidad. (NOEL CARBONI & THE ESA / ESO / NASA PHOTOSHOP FITS LIBERATOR)

Durante unos 30 años, los neutrinos de esa supernova fueron los únicos neutrinos que habíamos confirmado que eran de fuera de nuestro propio Sistema Solar, y mucho menos de nuestra galaxia. Pero eso no significa que no recibiéramos neutrinos más distantes; simplemente significaba que no podíamos identificarlos de manera sólida con ninguna fuente conocida en el cielo. Aunque los neutrinos interactúan solo muy débilmente con la materia, es más probable que interactúen si tienen más energía.

Ahí es donde entra el observatorio de neutrinos IceCube.

El observatorio IceCube, el primer observatorio de neutrinos de este tipo, está diseñado para observar estas escurridizas partículas de alta energía desde debajo del hielo antártico. (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

En lo profundo del hielo del Polo Sur, IceCube encierra un kilómetro cúbico de material sólido, en busca de estos neutrinos casi sin masa. Cuando los neutrinos pasan a través de la Tierra, existe la posibilidad de tener una interacción con una partícula allí. Una interacción conducirá a una lluvia de partículas, lo que debería dejar firmas inconfundibles en el detector.

En esta ilustración, un neutrino ha interactuado con una molécula de hielo, produciendo una partícula secundaria, un muón, que se mueve a una velocidad relativista en el hielo, dejando un rastro de luz azul detrás de él. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

En los seis años que IceCube ha estado funcionando, han detectado más de 80 neutrinos cósmicos de alta energía con energías superiores a 100 TeV: más de diez veces la energía más alta alcanzada por cualquier partícula en el LHC. Algunos de ellos incluso han alcanzado la cima de la escala PeV, logrando energías miles de veces mayores que las necesarias para crear incluso las partículas fundamentales más pesadas conocidas.

Sin embargo, a pesar de todos estos neutrinos de origen cósmico que han llegado a la Tierra, nunca los hemos emparejado con una fuente en el cielo que ofrezca una ubicación definitiva. Detectar estos neutrinos es una hazaña tremenda, pero a menos que podamos correlacionarlos con un objeto real observado en el Universo, por ejemplo, que también se puede observar en alguna forma de luz electromagnética, no tenemos idea de qué los crea.

Cuando un neutrino interactúa en el claro hielo antártico, produce partículas secundarias que dejan un rastro de luz azul a medida que viajan a través del detector IceCube. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Los teóricos no han tenido problemas para proponer ideas, que incluyen:

  • hipernovas, la más superluminosa de todas las supernovas,
  • explosiones de rayos gamma,
  • quemando agujeros negros,
  • o cuásares, los agujeros negros más grandes y activos del Universo.

Pero se necesitaría evidencia para decidir.

Un ejemplo de un evento de neutrinos de alta energía detectado por IceCube: un neutrino de 4.45 PeV que golpeó el detector en 2014. (ICECUBE SOUTH POLE NEUTRINO OBSERVATORY / NSF / UNIVERSITY OF WISCONSIN-MADISON)

IceCube ha estado rastreando y emitiendo lanzamientos con cada neutrino de ultra alta energía que han encontrado. El 22 de septiembre de 2017, se vio otro evento similar: IceCube-170922A. En el lanzamiento que salió, declararon lo siguiente:

El 22 de septiembre de 2017, IceCube detectó un evento similar a una pista y de muy alta energía con una alta probabilidad de ser de origen astrofísico. El evento fue identificado por la selección de eventos de seguimiento de energía extremadamente alta (EHE). El detector IceCube estaba en un estado de funcionamiento normal. Los eventos EHE generalmente tienen un vértice de interacción de neutrinos que está fuera del detector, producen un muón que atraviesa el volumen del detector y tienen un alto nivel de luz (un proxy de energía).
Los rayos cósmicos bañan partículas al golpear protones y átomos en la atmósfera, pero también emiten luz debido a la radiación de Cherenkov. Al observar los rayos cósmicos del cielo y los neutrinos que golpean la Tierra, podemos usar coincidencias para descubrir los orígenes de ambos (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

Este esfuerzo es interesante no solo para los neutrinos, sino también para los rayos cósmicos en general. A pesar del hecho de que hemos visto millones de rayos cósmicos de altas energías durante más de un siglo, no entendemos dónde se originan la mayoría de ellos. Esto es cierto para protones, núcleos y neutrinos creados tanto en la fuente como a través de cascadas / duchas en la atmósfera.

Es por eso que es fascinante que, junto con la alerta, IceCube también proporcionó coordenadas de dónde se debería haber originado este neutrino en el cielo, en la siguiente posición:

  • RA: 77.43 grados (-0.80 grados / + 1.30 grados 90% de contención de PSF) J2000
  • Diciembre: 5,72 grados (-0,40 grados / + 0,70 grados 90% de contención de PSF) J2000

Y eso llevó a los observadores, que intentaban realizar observaciones de seguimiento a través del espectro electromagnético, a este objeto.

Impresión artística del núcleo galáctico activo. 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. Un blazar a unos 4 mil millones de años luz de distancia es el origen de estos rayos cósmicos y neutrinos. (DESY, LABORATORIO DE COMUNICACIÓN DE CIENCIAS)

Este es un blazar: un agujero negro supermasivo que se encuentra actualmente en estado activo, alimentándose de materia y acelerándola a velocidades tremendas. Los Blazar son como los cuásares, pero con una diferencia importante. Mientras que los quásares pueden orientarse en cualquier dirección, un blazar siempre tendrá uno de sus chorros apuntando directamente a la Tierra. Se llaman blazars porque te "arden" directamente.

Este blazar en particular se conoce como TXS 0506 + 056, y cuando una gran cantidad de observatorios, incluido el observatorio Fermi de la NASA y el telescopio MAGIC en tierra en las Islas Canarias, detectaron rayos gamma procedentes de él de inmediato.

Unos 20 observatorios en la Tierra y en el espacio realizaron observaciones de seguimiento de la ubicación donde IceCube observó el neutrino del pasado septiembre, lo que permitió la identificación de lo que los científicos consideran una fuente de neutrinos de muy alta energía y, por lo tanto, de rayos cósmicos. Además de los neutrinos, las observaciones realizadas a través del espectro electromagnético incluyeron rayos gamma, rayos X y radiación óptica y de radio. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

No solo eso, sino que cuando llegaron los neutrinos, se descubrió que el blazar estaba en un estado de llama, que corresponde a las salidas más activas que experimenta dicho objeto. Desde que los flujos de salida aumentaron y disminuyeron, los investigadores afiliados a IceCube revisaron los registros de una década antes de la llamarada del 22 de septiembre de 2017, y buscaron cualquier evento de neutrinos que se originaría en la posición de TXS 0506 + 056.

El hallazgo inmediato? Los neutrinos llegaron de este objeto en múltiples explosiones, que abarcaron muchos años. Al combinar las observaciones de neutrinos con las electromagnéticas, hemos podido establecer sólidamente que los neutrinos de alta energía son producidos por blazars, y que tenemos la capacidad de detectarlos, incluso desde una distancia tan grande. TXS 0506 + 056, si tenía curiosidad, se encuentra a unos 4 mil millones de años luz de distancia.

Blazar TXS 0506 + 056 es la primera fuente identificada de neutrinos de alta energía y rayos cósmicos. Esta ilustración, basada en una imagen de Orión por la NASA, muestra la ubicación del blazar, situado en el cielo nocturno justo al lado izquierdo de la constelación de Orión. La fuente está a unos 4 mil millones de años luz de la Tierra. (ICECUBE / NASA / NSF)

Se puede aprender una cantidad tremenda solo de esta observación de múltiples mensajeros.

  • Se ha demostrado que los Blazar son al menos una fuente de rayos cósmicos.
  • Para producir neutrinos, necesitas piones en descomposición, y esos son producidos por protones acelerados.
  • Esto proporciona la primera evidencia definitiva de la aceleración de protones por los agujeros negros.
  • Esto también demuestra que el blazar TXS 0506 + 056 es una de las fuentes más luminosas del Universo.
  • Finalmente, a partir de los rayos gamma que lo acompañan, podemos estar seguros de que los neutrinos cósmicos y los rayos cósmicos, al menos a veces, tienen un origen común.
Los rayos cósmicos producidos por fuentes astrofísicas de alta energía pueden alcanzar la superficie de la Tierra. Cuando un rayo cósmico choca con una partícula en la atmósfera de la Tierra, produce una lluvia de partículas que podemos detectar con matrices en el suelo. Por fin, hemos descubierto una fuente importante de ellos. (COLABORACIÓN ASPERA / ERANET ASTROPARTICLE)

Según Frances Halzen, investigadora principal del observatorio de neutrinos IceCube,

Es interesante que haya un consenso general en la comunidad de astrofísica de que es poco probable que los blazares sean fuentes de rayos cósmicos, y aquí estamos ... La capacidad de reunir telescopios a nivel mundial para hacer un descubrimiento utilizando una variedad de longitudes de onda y un detector de neutrinos como IceCube marca un hito en lo que los científicos llaman "astronomía multi-mensajero".

La era de la astronomía multi-mensajero está oficialmente aquí, y ahora tenemos tres formas completamente independientes y complementarias de mirar el cielo: con luz, con neutrinos y con ondas gravitacionales. Hemos aprendido que los blazars, una vez considerados un candidato poco probable para generar neutrinos de alta energía y rayos cósmicos, de hecho crean ambos.

Esta es una impresión artística de un quásar distante 3C 279. Los chorros bipolares son una característica común, pero es extremadamente raro que un chorro de este tipo nos apunte directamente. Cuando eso ocurre, tenemos un Blazar, ahora confirmado como fuente de rayos cósmicos de alta energía y de neutrinos de ultra alta energía que hemos estado viendo durante años. (ESO / M. KORNMESSER)

Un nuevo campo científico, el de la astronomía de neutrinos de alta energía, se lanza oficialmente con este descubrimiento. Los neutrinos ya no son un subproducto de otras interacciones, ni una curiosidad cósmica que apenas se extiende más allá de nuestro Sistema Solar. En cambio, podemos usarlos como una sonda fundamental del Universo y de las leyes básicas de la física misma. Uno de los principales objetivos en la construcción de IceCube era identificar las fuentes de neutrinos cósmicos de alta energía. Con la identificación del blazar TXS 0506 + 056 como fuente tanto de estos neutrinos como de rayos gamma, ese es un sueño cósmico que finalmente se ha logrado.

Starts With A Bang ahora está en Forbes y se volvió a publicar en Medium gracias a nuestros seguidores de Patreon. Ethan es autor de dos libros, Beyond The Galaxy, y Treknology: The Science of Star Trek desde Tricorders hasta Warp Drive.