Un descubrimiento de neutrinos arroja luz sobre un enorme misterio cósmico

Un observador de neutrinos del Polo Sur ha unido fuerzas con telescopios de todo el mundo para rastrear un neutrino cósmico en su origen, a cuatro mil millones de años luz de distancia.

Y entonces hubo uno. Un único neutrino de alta energía del espacio profundo detectado en las profundidades de la capa de hielo de la Antártida en septiembre del año pasado llevó a los astrónomos de todo el mundo a girar los telescopios a su posición. Sus observaciones coordinadas dieron sus frutos, rastreando al viajero cósmico hasta su origen, por primera vez en la historia.

Pero el descubrimiento es más que la historia de esta única partícula con gran peso o carga, que le dio el nombre de “partícula fantasma”. Seguir el camino de los neutrinos es el comienzo de la resolución de un misterio centenario y el lanzamiento de un nuevo tipo de astronomía, una que nos permitirá explorar áreas del espacio profundo que están completamente fuera de los confines de los telescopios ópticos.

Dos artículos en la revista Science describen cómo el Observatorio Neutrino IceCube del Polo Sur detectó y rastreó un neutrino de alta energía. Los científicos de IceCube recibieron el apoyo de equipos de otros 18 observatorios, que siguieron el descubrimiento en minutos. Trabajando con los observatorios de rayos gamma Fermi y MAGIC, entre otros, identificaron la fuente de neutrinos como el TXS 0506 + 056 blazar, un agujero negro supermasivo activo en una galaxia a unos cuatro mil millones de años luz de distancia.

“Un blazar suele ser como un faro en el cielo para nosotros”, dice Elisa Resconi, física de la Universidad Técnica de Múnich, explicando que miramos directamente el chorro de partículas de alta energía que brotan del blazar.

El descubrimiento también es espectacular, porque por primera vez, los científicos pudieron rastrear (o al menos acercarse a rastrear) el origen de los rayos cósmicos de alta energía, un misterio que ha desconcertado a los astrofísicos desde que se observaron los primeros rayos cósmicos. en 1912.

“Vivimos en esta pequeña burbuja de la Tierra y nos golpean cosas en el espacio”, dice Cliff Burgess, físico teórico del Perimeter Institute que no está afiliado a la investigación. “En su mayoría es bueno, porque gran parte de ella es la luz solar del sol, pero también nos golpean partículas de energía del espacio y no tenemos idea de por qué ni de dónde vienen”.

Estas partículas incluyen neutrinos, casi sin masa y eléctricamente neutrales, partículas de alta energía que apenas interactúan con nada, generalmente pasan por la Tierra y pasan desapercibidas y sin obstáculos. A pesar de que detectamos cientos de neutrinos solares de menor energía todos los días, solo observamos un puñado de estas “partículas fantasma” en partes distantes del universo al año.

El neutrino que golpeó el IceCube el 22 de septiembre de 2017 midió a 300 terra-electron-voltios (TeV). Es una energía mucho más alta de la que podemos esperar producir en cualquier acelerador de partículas de la Tierra. Por ejemplo, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN supera a los protones a solo 6,5 TeV.

El blazar, que es una posible fuente de neutrinos, es como un acelerador gigante, dice Resconi. Observar al neutrino y observar la luz o las ondas de radio que provienen de las estrellas ayuda a los investigadores a comprender los extraños procesos que tienen lugar en el corazón de las galaxias, los agujeros negros supermasivos o los “grandes monstruos del universo”, agrega.

Identificar con éxito la fuente de un neutrino de alta energía puede ayudar a los investigadores a comprender de dónde provienen los rayos cósmicos, como los protones con energías extremadamente altas, que los científicos observan de vez en cuando, dice Darren Grant, físico y portador de la Universidad de Alberta. del Observatorio Neutrino IceCube.

Esto se debe a que los neutrinos son un subproducto de los rayos cósmicos y, a diferencia de sus partículas originales, los neutrinos viajan en línea recta. “Los neutrinos son esnobs”, dice Roopesh Ojha, astrofísico del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA. “Nunca interactúa con nada más”.

Esto es bueno y malo, explica, porque esta falla de interacción hace que sea muy difícil de detectar, pero significa que pueden llegar a la Tierra sin verse afectados por ninguna materia como estrellas, planetas, gas o polvo.

La luz (fotones) por otro lado lo es. “Para algunos de los problemas físicos más interesantes del universo, lo que sucede en el centro de los agujeros negros, cerca de los estallidos de rayos gamma, todas estas cosas, la luz tiene muchas dificultades para escapar y alcanzarnos”, explica Ojha.

Sin embargo, los neutrinos pueden pasar directamente. Si tanto un fotón como un neutrino nacen al mismo tiempo en el centro del Sol, dice Ojha, se necesitará un fotón de veinte a más de cien mil años para ir a la superficie del sol, mientras que un neutrino puede hacerlo. cubrir la misma distancia en menos de tres segundos.

La astronomía solo comenzó con la luz, aunque en una variedad de longitudes de onda. “Cada vez que miras una longitud de onda diferente, aprendes cosas diferentes”, dice Burgess. Lo que no podemos ver con los telescopios ópticos de repente se vuelve visible en microondas, radio o radiación UV, así como en detectores de ondas gravitacionales como LIGO y, ahora, neutrinos.

Entonces, el campo emergente de la astronomía de neutrinos tiene un nuevo significado, en cierto modo, dice Ojha. “Nos traerá información que no estaba disponible para nosotros desde ninguna luz. La capacidad de detectar neutrinos astrofísicos es una forma completamente nueva para que la humanidad observe el cosmos. “

Los investigadores esperan que en el futuro, a medida que rastrean más y más neutrinos hasta su origen, podrán obtener una comprensión mucho más completa del universo, especialmente sobre objetos y eventos extremadamente poderosos en el cielo.

Más de mil coautores se enumeran en los dos artículos, que Gregory Sivakoff, físico de la Universidad de Alberta, describe como una “colaboración colaborativa”. A diferencia de hace unos años, IceCube ahora emite (casi) alertas en tiempo real que permiten a los científicos de todo el mundo trabajar juntos para obtener la imagen más clara posible en una amplia gama de longitudes de onda, lo que les ayuda a comprender mejor los eventos específicos en el universo profundo.

Las últimas observaciones se consideran una revelación, pero todavía hay pocas posibilidades de que sea solo una coincidencia, dice Ignacio Taboada, físico de la Universidad de Pensilvania. Ojha, sin embargo, está convencido de que han encontrado la fuente del neutrino, ya que pueden estrechar su camino a un parche relativamente pequeño de cielo, y el TXS 0506 + 056 es el único blazar de rayos gamma potente en la región. “No soy realmente un jugador, pero probablemente haría una apuesta razonable a que esto se confirmará”, dice.

“Científicamente, es muy difícil demostrar que algo anda mal, porque estas cosas no vuelven a suceder”, dice Taboada. “Se puede repetir, pero en otra parte del cielo. ¿Cómo sabría que la primera interpretación estaba equivocada? “

Después de observaciones recientes, los investigadores regresaron a sus archivos de datos para ver si se trataba de un evento único y encontraron varios neutrinos que llegaron de la misma región. Aunque cualquier evento puede no ser estadísticamente significativo, ayuda a formar una imagen más precisa. “A medida que acumula esta evidencia en conjunto, su caso se fortalece”, dice Grant.

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