En esta representación artística, basada en una imagen real del IceCube Lab en el Polo Sur, una fuente distante emite neutrinos que se detectan debajo del hielo mediante sensores IceCube, llamados DOM. Crédito: Icecube / NSF

Un equipo internacional de científicos ha encontrado la primera evidencia de una fuente de neutrinos cósmicos de alta energía, partículas subatómicas fantasmales que pueden viajar sin obstáculos durante miles de millones de años luz desde los ambientes más extremos del universo hasta la Tierra.

Las observaciones, realizadas por el IceCube Neutrino Observatory en la estación Amundsen-Scott South Pole y confirmadas por telescopios de todo el mundo y en la órbita de la Tierra, ayudan a resolver un acertijo de más de un siglo de antigüedad acerca de lo que envía subatómico como los neutrinos y acelerando a través del universo.

Desde que se detectaron por primera vez hace más de cien años, los rayos cósmicos -partículas altamente energéticas que caen continuamente sobre la Tierra desde el espacio- han planteado un misterio perdurable: ¿qué crea y lanza estas partículas a través de esas enormes distancias? ¿De dónde vienen?

Debido a que los rayos cósmicos son partículas cargadas, sus caminos no pueden rastrearse directamente a sus fuentes debido a los poderosos campos magnéticos que llenan el espacio y deforman sus trayectorias. Pero los poderosos aceleradores cósmicos que los producen también producirán neutrinos. Los neutrinos son partículas sin carga, que no se ven afectadas ni siquiera por el campo magnético más potente. Debido a que rara vez interactúan con la materia y casi no tienen masa, de ahí su apodo de “partícula fantasma”, los neuutrinos viajan casi sin perturbarse desde sus aceleradores, dando a los científicos un puntero casi directo a su fuente.

Dos artículos publicados esta semana en la revista Ciencia por primera vez han proporcionado evidencia de un blazar conocido como fuente de detectado por el observatorio IceCube apoyado por la National Science Foundation. Este blazar, designado por los astrónomos como TXS 0506 + 056, fue seleccionado por primera vez después de una alerta de neutrinos enviada por IceCube el 22 de septiembre de 2017.

El IceCube Neutrino Observatory abarca un kilómetro cúbico de hielo prístino bajo la superficie de la Antártida y al lado de la estación NSF Amundsen-Scott South Pole. En esta ilustración, basada en una vista aérea cerca del Polo Sur, una representación artística del detector IceCube muestra la interacción de un neutrino con una molécula de hielo. El patrón de visualización es cómo los científicos representan los datos en la luz grabada. Cada círculo de color representa la luz recogida por uno de los sensores IceCube. El degradado de color, de rojo a verde / azul, muestra la secuencia de tiempo. Crédito: IceCube Collaboration / NSF

“La evidencia de la observación de la primera fuente conocida de neutrinos de alta energía y rayos cósmicos es convincente”, dice Francis Halzen, profesor de física de la Universidad de Wisconsin-Madison y científico principal del IceCube Neutrino Observatory.

“La era de la astrofísica multimessenger está aquí”, dijo el director de NSF France Córdova. “Cada mensajero, desde la radiación electromagnética, las ondas gravitacionales y ahora los neutrinos, nos da una comprensión más completa del universo e importantes nuevos conocimientos sobre los objetos y eventos más poderosos en el cielo. Tales avances solo son posibles a través de un compromiso a largo plazo. a la investigación fundamental y la inversión en excelentes instalaciones de investigación “.

Un blazar es una galaxia elíptica gigante con un enorme agujero negro que gira rápidamente en su núcleo. Una característica distintiva de los blazars es que los chorros gemelos de luz y las partículas elementales, una de las cuales apunta hacia la Tierra, se emiten desde los polos a lo largo del eje de la rotación del agujero negro. Este blazar está situado en el cielo nocturno justo al lado del hombro izquierdo de la constelación de Orión y está a unos 4 mil millones de años luz de la Tierra.

El IceCube Neutrino Observatory abarca un kilómetro cúbico de hielo prístino bajo la superficie de la Antártida y al lado de la estación NSF Amundsen-Scott South Pole. En esta animación, basada en una vista aérea cerca del Polo Sur, una representación artística del detector IceCube muestra la interacción de un neutrino con una molécula de hielo. El patrón de visualización es cómo los científicos representan los datos en la luz grabada. Cada círculo de color representa la luz recogida por uno de los sensores IceCube. El degradado de color, de rojo a verde / azul, muestra la secuencia de tiempo. Crédito: IceCube Collaboration / NSF

Equipado con un sistema de alerta casi en tiempo real, activado cuando un neutrino de muy alta energía colisiona con un núcleo atómico en el hielo antártico en o cerca del detector IceCube, el observatorio difunde las coordenadas de la alerta de neutrinos del 22 de septiembre a los telescopios de todo el mundo. observaciones. Los observatorios de rayos gamma, incluido el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi en órbita de la NASA y el Telescopio Cherenkov de Imágenes Gammaasmórficas Mayores, o MAGIC, en las Islas Canarias, detectaron una llamarada de asociado con TXS 0506 + 056, una convergencia de observaciones que convincentemente implicaron al blazar como la fuente más probable.

Fermi fue el primer telescopio que identificó una actividad de rayos gamma mejorada de TXS 0506 + 056 dentro de los 0.06 grados de la dirección del neutrino IceCube. En una década de observaciones de Fermi de esta fuente, esta fue la llamarada más fuerte en los rayos gamma, los fotones de mayor energía. Un seguimiento posterior de MAGIC detectó rayos gamma de energías aún más altas.

Cuando un neutrino interactúa en el hielo antártico despejado, produce partículas secundarias que dejan un rastro de luz azul a medida que viajan a través del detector IceCube de NSF. Crédito: Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube

Estas observaciones demuestran que TXS 056 + 056 es una de las fuentes más luminosas en el universo conocido y, por lo tanto, agrega soporte a una observación multimessenger de un motor cósmico lo suficientemente potente como para acelerar y producir los neutrinos asociados. Solo uno de estos neutrinos, de los muchos millones que navegaban a través del hielo de la Antártida, fue detectado por IceCube el 22 de septiembre.

Reforzar estas observaciones son mediciones coincidentes de otros instrumentos, incluidos los telescopios ópticos, de radio y de rayos X. “La capacidad de combinar telescopios a nivel mundial para hacer un descubrimiento usando una variedad de longitudes de onda en cooperación con un detector de neutrinos como IceCube marca un hito en lo que los científicos llaman astronomía multimessenger”, dice Halzen.

“Estos resultados intrigantes también representan la culminación notable de miles de años humanos de actividades intensivas por parte de IceCube Collaboration para hacer realidad el sueño de la astronomía de neutrinos”, dice Darren Grant, profesor de física en la Universidad de Alberta y portavoz de la IceCube Collaboration, un equipo internacional con más de 300 científicos en 12 países.

Con la participación de IceCube, portavoz y otros expertos de la colaboración, este video explica las observaciones que llevaron a la identificación de la primera fuente de neutrinos de alta energía y rayos cósmicos. Estos resultados nos ayudan a responder a un enigma de hace cien años: ¿dónde y cómo la naturaleza acelera las partículas hasta las energías más altas jamás detectadas? Crédito: IceCube Collaboration / NSF

El físico austríaco Victor Hess probó en 1912 que las partículas ionizantes que los científicos estaban detectando en la atmósfera venían del espacio. Los rayos cósmicos son las partículas de mayor energía jamás observadas, con energías de hasta cien millones de veces la energía de las partículas en el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN en Suiza, el acelerador de partículas más poderoso hecho por el hombre. Estos rayos cósmicos de energía extremadamente alta solo pueden ser creados fuera de nuestra galaxia y sus fuentes han sido un misterio hasta ahora. Los científicos han especulado que los objetos más violentos del cosmos, cosas como restos de supernovas, galaxias en colisión y núcleos energéticos de galaxias conocidas como núcleos galácticos activos, como los blazars, podrían ser las fuentes.

“Fermi ha estado monitoreando unos 2.000 blazars durante una década, y así fue como pudimos identificar este blazar como fuente de neutrinos”, dice Regina Caputo, coordinadora de análisis para la colaboración del Telescopio de área grande de Fermi. “Los rayos gamma de alta energía pueden ser producidos por electrones o protones acelerados. La observación de un neutrino, que es un sello distintivo de las interacciones de protones, es la primera evidencia definitiva de la aceleración del protón por los agujeros negros”.

“Ahora, hemos identificado al menos una fuente de rayos cósmicos porque produce neutrinos cósmicos. Los neutrinos son los productos de descomposición de los piones. Para producirlos, se necesita un acelerador de protones”, dice Halzen.

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. Crédito: Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube

Los rayos cósmicos son en su mayoría protones y se envían a toda velocidad a través del universo porque los lugares donde se crean actúan de la misma manera que los aceleradores de partículas en la Tierra, solo que son mucho más poderosos. “Las teorías predicen que la emisión de neutrinos irá acompañada de la liberación de rayos gamma”, explica Razmik Mirzoyan, el portavoz de MAGIC Collaboration. Pero todavía hay muchas preguntas sobre cómo los blazars podrían acelerar las partículas a tales altas energías. “La radiación gamma proporciona información sobre cómo funcionan las ‘centrales eléctricas’ en agujeros negros supermasivos”, agrega Mirzoyan.

Como el último mensajero astrofísico para ingresar al juego, los neutrinos aportan nueva información crucial para descubrir el funcionamiento interno de estos aceleradores de rayos cósmicos. En particular, las mediciones de neutrinos pueden revelar los mecanismos para la aceleración de partículas del haz de protones en los entornos más densos que incluso los de alta energía no puede escapar

Tras la detección del 22 de septiembre, el equipo IceCube rastreó rápidamente los datos de archivo del detector y descubrió una llamarada de más de una docena de neutrinos astrofísicos detectados a finales de 2014 y principios de 2015, coincidiendo con el mismo blazar, TXS 0506 + 056. Esta observación independiente fortalece en gran medida la detección inicial de un solo neutrino de alta energía y se suma a un creciente cuerpo de datos que indica que TXS 0506 + 056 es el primer acelerador conocido de los neutrinos de mayor energía y los rayos cósmicos.

Impresión del artista del núcleo galáctico activo. El agujero negro supermasivo en el centro del disco de acreción envía un pequeño chorro de materia de alta energía al espacio, perpendicular al disco. Crédito: DESY, Science Communication Lab

La detección de los neutrinos de mayor energía requiere un detector de partículas masivo, y IceCube es en volumen el más grande del mundo. El detector, que abarca un kilómetro cúbico de hielo prístino y profundo a una milla por debajo de la superficie en el Polo Sur, está compuesto por más de 5.000 sensores de luz dispuestos en una cuadrícula. Cuando un neutrino interactúa con el núcleo de un átomo, crea una segunda partícula cargada, que, a su vez, produce un cono característico de luz azul que IceCube detecta y mapea a través de la rejilla del detector de tubos fotomultiplicadores. Debido a que la partícula cargada y la luz que crea permanecen esencialmente fieles a la dirección del neutrino, dan a los científicos un camino para seguir de regreso a la fuente.

IceCube monitorea continuamente el cielo, incluso a través de la Tierra hasta el hemisferio norte, y detecta un neutrino cada pocos minutos. La mayoría de los neutrinos que detecta, sin embargo, son de baja energía, creados por fenómenos más comunes, como las lluvias de proveniente de partículas de rayos cósmicos que chocan contra núcleos atómicos en la atmósfera de la Tierra.

Las partículas de particular interés para el equipo IceCube tienen un impacto más enérgico. El neutrino que alertó a los telescopios de todo el mundo tenía una energía de aproximadamente 300 TeV. (La energía de los protones que circulan en el anillo de 26.7 kilómetros del Gran Colisionador de Hadrones es de 6.5 TeV).

IceCube fue creado específicamente para identificar y rastrear neutrinos de alta energía. En 2013, la colaboración anunció la detección de los primeros neutrinos de más allá de nuestra galaxia y desde entonces ha realizado numerosas mediciones fundamentales en el campo emergente de la astronomía de neutrinos. El equipo IceCube también analiza energía más baja , con resultados sobresalientes que ayudan a los científicos a dar sentido a la materia en sus formas más elementales.


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Más información: “Observaciones de varios mensajeros de un blazar fulminante coincidente con el neutrino de alta energía IceCube-170922A,” The IceCube, Fermi-LAT, MAGIC, AGILE, ASAS-SN, HAWC, HESS, INTEGRAL, Kanata, Kiso, Kapteyn, telescopio de Liverpool, Equipos Subaru, Swift / NuSTAR, VERITAS y VLA / 17B-403, Ciencia 361. DOI: 10.1126 / science.aat1378

“Emisión de neutrinos desde la dirección del blazar TXS 0506 + 056 antes de la alerta IceCube-170922A,” IceCube Collaboration: M.G. Aartsen et al. Ciencia 361. DOI: 10.1126 / science.aat2890