Después de décadas buscando dónde nacen los neutrinos y los rayos cósmicos más energéticos del universo, los científicos han encontrado por fin un objeto que los produce: un blazar, una gigantesca galaxia con un agujero negro y un chorro de partículas apuntando directamente hacia la Tierra. El hallazgo se ha realizado en el observatorio IceCube de la Antártida, en colaboración con telescopios de todo el mundo, como MAGIC en Canarias.
Un equipo internacional de científicos ha encontrado la primera evidencia de una fuente de neutrinos cósmicos de alta energía, partículas fantasmales sin carga y apenas masa que viajan por el universo en línea recta durante miles de millones de años luz, atravesando galaxias, estrellas y cualquier obstáculo que encuentren en su camino.
Uno de estos energéticos neutrinos fue detectado el 22 de septiembre de 2017 en el entramado de sensores que tiene el observatorio IceCube bajo el hielo de la Antártida, en la estación Amundsen-Scott del Polo Sur. En seguida mandaron una alerta a astrofísicos de todo el mundo para que dirigieran sus telescopios a la fuente de donde parecía proceder la partícula, y la encontraron.
Se trata del blazar TXS 0506 + 056, situado a unos 4.000 millones de años luz de nosotros. Este tipo de objetos son galaxias gigantescas con un agujero negro girando en su interior y que, además, emiten un chorro o jet de partículas apuntando directamente hacia la Tierra.
El gran descubrimiento, presentado hoy en rueda de prensa por la Fundación Nacional para la Ciencia (NSF) de EE UU y publicado en dos artículos de la revista Science, también ayuda a resolver un misterio centenario sobre el origen de los rayos cósmicos, partículas muy energéticas que bombardean continuamente la Tierra desde el espacio.
“Los rayos cósmicos tienen carga eléctrica y sus trayectorias son desviadas por los campos magnéticos, de manera, que al llegar a la Tierra no ‘apuntan’ en la dirección de la fuente que los emitió”, explica a Sinc uno de los coautores del descubrimiento, Marcos Santander, profesor de la Universidad de Alabama (EE UU). “Esto hace que, aunque conocemos de la existencia de los rayos cósmicos desde hace más de 100 años, todavía no sabemos a ciencia cierta de donde provienen”.
Ilustración de un blazar emitiendo neutrinos y rayos gamma que pueden ser detectados por el observatorio IceCube y otros telescopios. / IceCube/NASA
“Sin embargo –añade– una forma de resolver esta cuestión es usar neutrinos, ya que estos son producidos una vez que los rayos cósmicos interactúan con gas o fotones en su trayectoria. Como los neutrinos son partículas neutras, su camino no es afectado por los campos magnéticos y si detectamos una fuente de neutrinos, como de la que ahora tenemos evidencia, podemos concluir que es también una fuente de rayos cósmicos”.
Santander también destaca que el hallazgo abre la puerta para usar los neutrinos en la observación del universo: "Estamos empezando a hacer astronomía utilizando otros medios además de la luz, combinando las observaciones electromagnéticas (obtenidas con telescopios ópticos, de radio, rayos X, etc.) con otras mediciones, en lo que ahora llamamos astronomía multimensajero. Esta es la primera evidencia que tenemos de una galaxia activa emitiendo neutrinos, lo que significa que pronto podremos comenzar a observar el cosmos usando los neutrinos para aprender más sobre estos objetos en formas que serían imposibles solo con la luz".
El científico principal del observatorio IceCube, Francis Halzen, profesor de física de la Universidad de Wisconsin-Madison, también lo destaca: "La capacidad de reunir telescopios en todo el mundo para hacer un descubrimiento, usando una variedad de longitudes de onda y junto con un detector de neutrinos como IceCube, marca un hito en la denominada astronomía multimensajero".
"La era de la astrofísica de varios mensajeros está aquí", insiste por su parte el director de la NSF, France Córdova. "Cada mensajero, desde la radiación electromagnética, las ondas gravitacionales y ahora los neutrinos, nos proporciona una comprensión más completa del universo y nuevos conocimientos importantes sobre los objetos y eventos más poderosos del cielo. Estos avances solo son posibles a través de un largo compromiso a largo plazo con la investigación fundamental y la inversión en excelentes instalaciones de investigación".
De hecho, las emisiones del blazar TXS 0506 + 056 se han analizado con este tipo de nueva astronomía. Cuando el neutrino de alta energía chocó contra un núcleo atómico en el detector de IceCube –un evento conocido como IC170922A–, en menos de un minuto se transmitieron las coordenadas a la comunidad científica internacional.
Representación del evento de neutrinos IC170922 en IceCube, donde se detectó una de estas partículas muy energéticas. / IceCube Collaboration/NSF
Fueron especialmente relevantes las observaciones del telescopio espacial Fermi de la NASA y el Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC), localizado en la isla canaria de La Palma, que registraron los destellos de rayos gamma de alta energía asociados al blazar. Este tipo de objeto es lo suficientemente potente como para acelerar los rayos cósmicos de alta energía y los neutrinos asociados.
Hasta ahora se conocían solo dos fuentes de neutrinos, aunque mucho menos energéticos:los procedentes del Sol y de una supernova cercana. Sobre los de alta energía, se especulaba que podrían proceder de eventos mucho más violentos del cosmos, como galaxias en colisión y núcleos galácticos activos. Curiosamente, los blazars, no estaban entre los principales candidatos.
"Había un consenso general de que los blazars probablemente no eran fuentes de rayos cósmicos, pero aquí estamos", reconoce Halzen, “y ahora hemos identificado al menos una fuente que genera rayos cósmicos de alta energía porque produce neutrinos cósmicos. Estos son los productos de desintegración de los piones (un tipo de partículas ligeras), y para producirlos se necesita un acelerador de protones".
Los rayos cósmicos son básicamente protones o núcleos atómicos. Las partículas se envían a toda velocidad a través del universo debido a que las galaxias donde se crean actúan de la misma forma que los aceleradores de partículas en la Tierra, aunque a una escala mucho mayor. De hecho, el neutrino detectado en IceCube tenía una energía de casi 300 TeV. Por comparar, la energía de los protones que circulan en el gran colisionador de hadrones del CERN ronda los 6,5 TeV.
Después de la detección del 22 de septiembre, el equipo IceCube, que viene registrando neutrinos cósmicos desde 2013 (algunos con nombres como Epi, Blas o Caponata), echó la vista atrás y rastreó rápidamente los datos archivados del detector. Así descubrió que, entre finales de 2014 y principios de 2015, la procedencia de más de una docena de neutrinos astrofísicos coincidía con el mismo blazar TXS 0506 + 056.
Esa observación independiente, publicada en el segundo artículo de Science, fortalece en gran medida la detección inicial de un solo neutrino de alta energía y se suma a un conjunto de datos que indica que este blazar es el primer acelerador conocido de neutrinos y rayos cósmicos de alta energía.
Para el físico español Carlos Pobes, que en 2012 trabajó en IceCube y actualmente en la Universidad de Zaragoza, “este resultado es histórico, y aunque es verdad que últimamente estamos asistiendo a muchos acontecimientos 'históricos', como los últimos resultados con ondas gravitacionales, la verdad es que todos lo son. Estamos viviendo una década histórica en el estudio del universo, siendo testigos del nacimiento de la astronomía con multimensajeros”.
“Me complace especialmente pensar que este descubrimiento acerca a Francis Halzen un poquito más a un Nobel, un premio que sería muy merecido –subraya el investigador–. Ya es de por sí increíble que concibiese este telescopio en un lugar tan remoto como el Polo Sur, pero construirlo con éxito y que además esté dando estos resultados es algo maravilloso”.
La detección de neutrinos de alta energía requiere un detector gigante. IceCube es, en volumen, el detector de neutrinos más grande del mundo. Está enterrado a profundidades de entre 1,5 y 2,5 kilómetros bajo una estación antártica en el Polo Sur.
La portada de Science ilustra los DOM de IceCube.
La única instalación visible en la superficie es el IceCube Lab (ICL), que aloja las computadoras que recogen los datos de los más de 5.000 módulos ópticos digitales (DOM), unos sensores esféricos de unos 35 cm de diámetro distribuidos en red por el hielo, junto a tubos fotomultiplicadores.
Cuando un neutrino interactúa con el núcleo de un átomo, crea una partícula secundaria cargada que, a su vez, genera un cono característico de luz azul que IceCube detecta y mapea a través de la red del detector. Como la partícula cargada y la luz que genera permanecen fieles a la dirección del neutrino, esto indica a los científicos el camino a seguir hacia la fuente.
IceCube monitorea continuamente el cielo, incluso hacia el cielo del hemisferio norte a través de la Tierra, registrando un neutrino cada pocos minutos.
La mayoría son de baja energía, creados por fenómenos comunes, como los formados durante las lluvias de partículas subatómicas por los rayos cósmicos que se estrellan contra los núcleos atómicos de la atmósfera de la Tierra.
En la colaboración internacional IceCube que opera este observatorio participan cerca de 300 físicos e ingenieros de 48 instituciones en 12 países, bajo el liderazgo de la Universidad de Wisconsin-Madison (EE UU) y con el apoyo financiero de la Fundación Nacional de Ciencias de EE UU. Los responsables del proyecto ya están trabajando en el diseño de la siguiente generación de IceCube, llamada IceCube-Gen2, que tendrá un volumen aproximadamente diez veces mayor al actual.
Referencias bibliográficas:
“Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A" by D. Grant at The IceCube, Fermi-LAT, MAGIC, AGILE, ASAS-SN, HAWC, H.E.S.S, INTEGRAL, Kanata, Kiso, Kapteyn, Liverpool telescope, Subaru, Swift/NuSTAR, VERITAS, and VLA/17B-403 teams. "Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert" by C. Finley at Ice Cube Collaboration. Science, 13 de julio de 2018.
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