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Astrofísica

Acelerador cósmico

Un agujero negro gigante situado fuera de la Vía Láctea es la primera fuente confirmada de neutrinos de alta energía

Montaje artístico sobre imagen del IceCube que muestra una emisión de neutrinos en dirección a los sensores del laboratorio, situado en el polo Sur

Icecube/ NSF

Dos estudios publicados en julio en la revista científica Science muestran evidencias sólidas de la primera fuente documentada de neutrinos de alta energía y, por ende, también de rayos cósmicos de alta energía, las partículas más potentes del Universo, provenientes de fuera de la Vía Láctea. Se trata de un tipo específico de galaxia elíptica gigante, con un agujero negro activo en su centro, denominado blazar TXS 0506+056, que se sitúa en la constelación de Orión, la misma de las famosas estrellas Tres Marías, y está ubicada a unos 4.000 millones de años luz de la Tierra. Esta conclusión es fruto de evidencias acumuladas por científicos de 17 equipos internacionales, que empezaron a colaborar intensamente tras la detección de una única partícula energética, un neutrino, el día 22 de septiembre de 2017.

La medición original que desencadenó el esfuerzo conjunto fue del Observatorio de Neutrinos IceCube, una red de 5.160 detectores instalados bajo 1.000 millones de toneladas de hielo, construida cerca del polo Sur, en la Antártida. Más fáciles de detectar, los neutrinos de alta energía son considerados marcadores del origen de los rayos cósmicos. Los mismos objetos celestes que producen esos neutrinos serían los responsables de disparar los rayos cósmicos. Por lo tanto, los estudios indican que una de las posibles fuentes de esas partículas altamente energéticas son los agujeros negros gigantes situados en el centro de galaxias activas a miles de millones de años luz de distancia de la Vía Láctea.

El descubrimiento de los neutrinos de alta energía, anunciado el día 12 de julio, se celebró como un ejemplo más de la llamada astronomía multimensajero, en la que los científicos alían observaciones de radiación electromagnética de distintas energías con la detección de otras partículas y ondas emitidas por los cuerpos celestes. Durante la conferencia de prensa, una de las coordinadoras del IceCube, la física Olga Botner, de la Universidad de Upsalla, en Suecia, recordó que, el año pasado, la combinación de observaciones de radiación electromagnética y de ondas gravitacionales permitió detectar el choque explosivo de dos estrellas de neutrones y estudiar en detalles las consecuencias de ese tipo de colisión, fuente de elementos químicos pesados del Universo, como el oro. “Aún no hemos detectado neutrinos en conexión con ondas gravitacionales”, declaró Olga Botner, “pero creemos que ese descubrimiento ocurrirá pronto”.

La información obtenida hasta ahora corrobora la hipótesis de que los agujeros negros funcionarían como potentes aceleradores cósmicos de partículas, que alcanzarían energías de millones a miles de millones de veces superiores a las producidas en los mayores equipamientos ya construidos por la ciencia. Los rayos cósmicos, descubiertos en 1912 por el físico austríaco Victor Hess, son partículas cargadas eléctricamente provenientes del espacio con velocidades cercanas a la de la luz. Pueden ser electrones (partículas de carga eléctrica negativa), protones (de carga eléctrica positiva) o núcleos atómicos, conjuntos de protones y neutrones. La mayoría de los rayos cósmicos de energía más baja se generan y se aceleran en explosiones estelares en la Vía Láctea. En cambio, los más energéticos serían protones o núcleos atómicos provenientes de lugares muy lejanos, ubicados fuera de nuestra galaxia. El principal reto de determinar su origen reside en que, por tratarse de partículas cargadas eléctricamente, no viajan en línea recta: su trayectoria se ve desviada cuando atraviesan campos magnéticos situados dentro y fuera de las galaxias.

Los neutrinos y los rayos cósmicos de alta energía serían emitidos por los mismos tipos de objetos celestes, como el blazar de la constelación de Orión

Una manera de sortear ese problema consiste en observar neutrinos de alta energía, el objetivo principal del IceCube, que opera desde 2003 en la Antártida, con el apoyo económico de la National Science Foundation y de otras instituciones de fomento de la investigación científica de Estados Unidos y de 10 países más. Los neutrinos tienen una masa ínfima, carga eléctrica nula y, por ende, casi no interactúan con la materia. Esas características permiten que viajen por el espacio en línea recta, atravesando casi todo lo que encuentran por el camino sin ser perturbados, razón por la cual se los llama partículas fantasmas. En 2013, un estudio de la colaboración internacional del IceCube permitió arribar a la conclusión de que algunos de los neutrinos de alta energía observados en la Tierra provendrían de fuera de la galaxia y serían producidos por los mismos fenómenos que generan los rayos cósmicos. De este modo, trazar el origen de esos neutrinos extragalácticos llevaría también al origen de los rayos cósmicos de alta energía.

En septiembre de 2017, los detectores del IceCube registraron una señal que indicaba el paso de un único neutrino con energía de 290 teraelectronvoltios (TeV), 40 veces la de los protones acelerados en el Large Hadron Collider (LHC), el mayor acelerador de partículas del mundo, instalado en la frontera de Suiza con Francia. Al rehacer el recorrido del neutrino en los detectores del IceCube, los científicos verificaron que su origen sería un punto del cielo en la constelación de Orión.

Inmediatamente después de la detección, el equipo del IceCube divulgó un alerta pidiendo que la comunidad astronómica mundial apuntara sus telescopios hacia aquella región. Segundos antes del alerta del IceCube, sin embargo, la coordinación que opera el telescopio de gran área (LAT) del satélite Fermi, de la Nasa, ya había enviado otro alerta, avisando que, en la misma región del cielo indicada por el IceCube, una fuente de rayos gamma, una forma de luz (radiación electromagnética) sumamente energética, había aumentado en casi cinco veces su brillo.

IceCube / NASA Ilustración de un blazar, galaxia con un agujero negro que emite neutrinos y rayos gamma en dirección a la TierraIceCube / NASA

“Cuando el IceCube emitió el aviso, la comunidad de observatorios de rayos gamma ya estaba lista”, relata Ulisses Almeida, investigador del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF), con sede en Río de Janeiro. Almeida colabora con el equipo que controla el telescopio Magic, emplazado en las Islas Canarias, un observatorio de rayos gamma que contribuyó con uno de los estudios publicados en la Science. “Era una fuente de rayos gamma cuyo brillo varía mucho, monitoreada rutinariamente desde hace años por el equipo del Fermi-LAT.”

Tras los alertas del IceCube y del Fermi, 17 observatorios alrededor del mundo siguieron las variaciones de brillo de la fuente de rayos gamma, conocida por la sigla TXS 0506+056. Las observaciones confirmaron que tal fuente emite radiación en todas las franjas de energía del espectro electromagnético, desde las más bajas (ondas de radio) hasta las más altas (rayos X y gamma). Combinando los datos de estas observaciones, los astrofísicos arribaron a la conclusión que la fuente de toda la radiación observada es el chorro de una galaxia con núcleo activo y situada a 4 mil millones de años luz de distancia de la Tierra.

Chorros en dirección a la Tierra
Una galaxia con núcleo activo puede albergar en su centro un agujero negro de masa muy elevada (equivalente a la de miles de millones de soles), que consume constantemente materia en la forma de gas incandescente y cargada eléctricamente. Ese gas gira y se acumula en un disco en torno al agujero negro. “Dos chorros opuestos y perpendiculares al disco son creados por campos magnéticos que canalizan y aceleran una porción del gas hacia fuera de la galaxia”, explica Almeida. “Esos chorros son más extensos y brillantes que la propia galaxia. Y, en el caso del blazar TXS 0506+056, el chorro apunta directamente hacia la Tierra”. Los astrónomos denominan blazares a los núcleos galácticos activos con chorros direccionados hacia el planeta. Esa característica permite que tanto la radiación electromagnética como los neutrinos producidos a lo largo del chorro lleguen al planeta después de viajar miles de millones de años en línea recta.

Dos coincidencias les permitieron a los científicos conectar el origen del neutrino al blazar: la detección de la partícula ocurrió simultáneamente al aumento de brillo del TXS 0506+056 y tanto el neutrino como la radiación llegaron provenientes de la misma región del espacio. Según Almeida, esa detección del origen de los neutrinos de alta energía cambia la comprensión referente a la composición de los chorros del blazar. “Como los neutrinos solo pueden ser producidos por protones y núcleos atómicos acelerados a velocidades cercanas a la de la luz, el chorro debe componerse no solo de electrones, como suele asumir la mayoría de los investigadores, sino también de esas partículas”, aclara en investigador del CBPF. “Por lo tanto, el chorro sería un acelerador de rayos cósmicos”.

Nicolle R. Fuller /NSF / IceCube Cuando un neutrino interactúa con el hielo antártico, se producen partículas secundarias que dejan una estela de luz azul al recorrer el detector del IceCube, tal como se muestra en la ilustraciónNicolle R. Fuller /NSF / IceCube

¿Sería esa coincidencia un mero fruto del azar? Para disminuir el riesgo de estar alimentando una ilusión, los investigadores analizaron los datos recabados durante 10 años por el IceCube en busca de más detecciones de neutrinos de alta energía provenientes de la región del blazar TXS 0506+056. Desde septiembre de 2014 hasta marzo de 2015, una docena de neutrinos, posiblemente provenientes de aquel mismo punto en el cielo, atravesaron los detectores ocultos en el hielo de la Antártida, pero dejaron una estela más difusa.

Simultáneamente, el astrofísico Bruno Arsioli, experto en la identificación de blazares en los datos del telescopio Fermi-LAT, quien actualmente realiza una pasantía de posdoctorado en la Universidad de Campinas (Unicamp), colaboró con un equipo de la Universidad Técnica de Múnich, Alemania, en la búsqueda de otros blazares activos en aquella localización en el mismo período. “Arribamos a la conclusión de que el TXS 0506+056 estuvo activo y fue la fuente predominante desde el punto de vista energético, produciendo los rayos gamma más extremos observados por el Fermi-LAT en aquella región del cielo entre 2014 y 2015”, relata Arsioli. “Estudios anteriores ya habían intentado relacionar los neutrinos de alta energía con los blazares, pero siempre analizando un único evento de coincidencia entre la detección de un neutrino y el aumento del brillo de ese tipo de galaxia. Esta es la primera vez que dos observaciones relevantes de neutrinos son relacionadas con un mismo blazar.”

Pierre Auger
Los rayos cósmicos más energéticos ya observados, con energía superior a millones de TeV, constituyen el foco de otro experimento internacional: el del Observatorio Pierre Auger, instalado desde 2004 en la provincia de Mendoza, oeste de Argentina. Por ser aún más energéticos, esos rayos cósmicos serían menos afectados por los campos magnéticos que encontraran por el camino y, por lo tanto, harían un viaje casi en línea recta desde su fuente de origen hasta la Tierra. Los investigadores llegaron a vislumbrar una correspondencia entre la posición en el cielo de algunos núcleos activos de galaxias y la dirección de algunos rayos cósmicos detectados por el Pierre Auger hasta 2007. Los datos de las observaciones subsiguientes, empero, no confirmaron esta correspondencia. Un análisis de todos sus datos acumulados hasta 2017 confirmó que los rayos cósmicos ultraenergéticos provienen de fuera da Vía Láctea.

“El blazar TXS 0506+056 se ubica dentro del campo de visión de nuestro observatorio”, afirma la física Carola Chinellato, de la Unicamp, líder del grupo brasileño que participa del Pierre Auger. La científica explica que, además de los rayos cósmicos, el Pierre Auger logra detectar neutrinos, pero solamente con energías superiores a 100 mil TeV, más altas que las registradas por el IceCube. “Ya hemos estudiado ese blazar como parte del análisis de fuentes puntuales que está en curso y no encontramos ningún candidato a neutrino proveniente de aquella dirección”, asevera la física.

Artículos científicos
The IceCube Collaboration et al. Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A. Science. On-line. 12 jul. 2018.
IceCube Collaboration. Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert. Science. On-line. 12 jul. 2018.
BERNARDINI, E. et al. The blazar TXS 0506+056 associated with a high-energy neutrino: Insights into extragalactic jets and cosmic ray acceleration. The Astrophysical Journal Letters. No prelo.
PADOVANI, P. et alDissecting the region around IceCube-170922A: the blazar TXS 0506+056 as the first cosmic neutrino sourceMonthly Notices of the Royal Astronomical Society. No prelo.

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