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Astrofísica

Una trampa para fantasmas

Un mecanismo propuesto por investigadores de la USP puede explicar el origen de los neutrinos de alta energía detectados en la Antártida

048-050_Neutrinos_234-01Dos astrofísicos de la Universidad de São Paulo (USP) propusieron un mecanismo para explicar dónde y cómo surgen las partículas altamente energéticas que se están detectando en un observatorio inmerso en el manto de hielo de la Antártida. El IceCube, compuesto por 5.160 detectores que forman un cubo de un kilómetro de arista, registra todos los años decenas de miles de neutrinos, partículas elementales neutras y casi sin masa provenientes de distintas zonas de la Tierra. Desde que empezó a funcionar, en 2010, el IceCube recabó información de una montaña de neutrinos. De todos ellos, 54 se consideraron especiales. Eran partículas provenientes probablemente de fuera de la galaxia, con un nivel de energía sumamente elevado, millones de veces superior al de los neutrinos emitidos por el Sol.

Los astrofísicos imaginan que solamente fenómenos de proporciones cósmicas colosales, como la muerte explosiva de una estrella de masa elevada, o un agujero negro de masa gigantesca alimentándose, son capaces de producir partículas con niveles tan altos de energía. Sin embargo, hasta ahora no se había encontrado un mecanismo capaz de generar neutrinos como ésos que llegaron a la Tierra.

Elisabete de Gouveia Dal Pino, docente del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG) de la USP, y su alumno de doctorado Behrouz Khiali, parecen haber identificado un fenómeno que podría originar esos neutrinos superenergéticos. Para los investigadores, esas partículas huidizas, a las que ya se les ha dado en llamar partículas fantasmas, debido a que interactúan raramente con la materia, podrían surgir como subproducto de un mecanismo físico llamado reconexión magnética.

En ese fenómeno, líneas de campos magnéticos de sentido contrario, al encontrarse, se aniquilan y liberan la energía magnética responsable de acelerar las partículas cargadas eléctricamente que estén cerca. Es lo que sucede en el Sol, cuando las líneas magnéticas producidas por el gas caliente de la corona se acercan y se anulan, liberando la energía que impulsa a las partículas del viento solar. Esos eventos generan gigantescas manijas o loops que pueden observarse mediante telescopios apostados en la Tierra. A juicio de de Gouveia Dal Pino y Khiali, ese mismo fenómeno ocurriría en las cercanías de agujeros negros con masa elevada. Al fin y al cabo, esos poderosos devoradores de materia reunirían todas las condiciones necesarias como para que eso sucediese.

048-050_Neutrinos_234-02Esos agujeros negros acumulan una masa decenas de millones de veces mayor que la del Sol en una región con entre decenas y centenas de kilómetros de diámetro. Objetos tan densos exhiben una gravedad impresionantemente elevada y atraen hacia sí toda la materia ubicada a su alrededor, que en general se encuentra bajo la forma de gas. Esa materia pasa a moverse alrededor del agujero negro y a caer en su dirección, como el agua que se escurre hacia el desagüe de una pila. La rotación de esta capa de gas caliente con partículas cargadas eléctricamente ‒el denominado disco de acreción– genera campos magnéticos en constante movimiento. En ocasiones, las líneas de esos campos se encuentran con las que están alrededor del agujero negro. Cuando tienen sentidos (polaridad) opuestos, se aniquilan y liberan calor y energía, e impulsan a las partículas cargadas, tales como los protones. Estos protones quedan aprisionados entre las líneas del campo magnético y adquieren cada vez más energía. “Imaginamos que sucede algo parecido con lo que ocurre con una pelota de tenis devuelta por jugadores que corren uno al encuentro del otro”, explica Khiali, astrofísico iraní que llegó a Brasil para estudiar reconexión magnética con Gouveia Dal Pino. “Con cada rebote, la pelota adquiere una velocidad mayor”. De una manera análoga, los protones acumulan energía hasta que logran escaparse de los campos magnéticos a velocidades cercanas a la de la luz.

En el camino en dirección al espacio, esos protones acelerados pueden chocarse con otros protones o con partículas de luz (fotones), ambos abundantes en una vasta región ubicada en torno del agujero negro, llamada corona. La colisión entre las partículas las destruye y genera otras. Del choque entre protones o entre un protón y un fotón, surgen partículas menos energéticas y más inestables: los piones, que liberan fotones de rayos gamma y neutrinos (véase la Infografía).

Loa cálculos de Khiali y Gouveia Dal Pino sugieren que alrededor de agujeros negros con masa que varía entre 10 y 1.000 mil millones de soles, la reconexión magnética sería capaz de generar protones lo suficientemente energéticos como para producir los neutrinos superenergéticos del IceCube. Anteriormente, Gouveia Dal Pino, Luis Kadowaki y Chandra Singh habían verificado que ese mecanismo puede originar los rayos gamma producidos cerca de agujeros negros y sistemas binarios de estrellas.

La reconexión magnética no es el único modelo para explicar los protones acelerados. En 2014, los astrofísicos italianos Fabrizio Tavecchio y Gabriele Ghisellini habían sugerido que esas partículas podrían generarse desde los chorros que emanan cerca de los polos de los agujeros negros.

048-050_Neutrinos_234-03“Actualmente, el mecanismo más aceptado para la producción de neutrinos superenergéticos es el choque en la zona de los chorros, pero éste no explica los eventos de tan alta energía como los detectados en el IceCube”, dice el físico Orlando Peres, de la Universidad de Campinas (Unicamp). “Puede ser que esto suceda a través de la reconexión magnética o de otro mecanismo que aún no conocemos.”

Gouveia Dal Pino recuerda otra ventaja de su modelo con relación a los otros. “Aparte de los neutrinos, nuestro mecanismo explica la producción de fotones de rayos gamma altamente energéticos y de rayos cósmicos que podrían ser producidos en el vecindario de esos agujeros negros”, afirma la astrofísica, una de las coordinadoras de la participación brasileña en el Cherenkov Telescope Array (CTA), que montará los conjuntos de telescopios para estudiar rayos gamma de alta energía.

“La propuesta del equipo del IAG resulta interesante, pero sería prematuro decir si está en lo cierto, pues la cantidad de neutrinos detectados es pequeña y no permite saber de dónde vienen”, dice la física Renata Funchal, de la USP, quien estudia los neutrinos con el objetivo de entender cómo podrían interactuar con otras partículas. “Este modelo podrá ponerse a prueba en poco tiempo, en caso de que se concrete la ampliación del IceCube”, comenta Funchal. Está en los planes duplicar la cantidad de detectores y aumentar o tamaño del observatorio para formar un cubo con 10 kilómetros de arista. Esto incrementaría la probabilidad de registrar partículas fantasmas tan energéticas. Como éstas no interactúan prácticamente con nada en el viaje hasta la Tierra, su trayectoria puede revelar de donde vienen. La identificación del origen de esos neutrinos puede permitir verificar si ese objeto también emite fotones de rayos gamma y rayos cósmicos. “Esto podría confirmar el modelo de Gouveia Dal Pino y Khiali y desembocar en una era de una astronomía de neutrinos, que permitiría estudiar objetos sin utilizar telescopios de luz”, dice Peres. “Pero aún estamos en mantillas en esto.”

Proyecto
Investigación de fenómenos de altas energías y plasmas astrofísicos: teorías, simulaciones numéricas, observaciones y desarrollo de instrumentación para el Cherenkov Telescope Array (CTA) (nº 2013/10559-5); Modalidad Proyecto Temático; Investigadora responsable Elisabete Maria de Gouveia Dal Pino (USP); Inversión R$ 9.451.122,83 (para todo el proyecto – FAPESP).

Artículo científico
KHIALI, B. y DE GOUVEIA DAL PINO, E. M. Very high energy neutrino emission from the core of low luminosity AGNs triggered by magnetic reconnection acceleration. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. En prensa.

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