Por Qué Una Partícula De 4 Billones De Años Que Golpeó La Antártida Es Tan Importante

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Un equipo internacional de astrónomos ha señalado un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia distante como la primera fuente conocida de partículas fantasmales.

Un solo neutrino de alta energía golpeó la Tierra el 22 de septiembre de 2017. Provenía de una galaxia lejana, envuelta alrededor de un agujero negro supermasivo. Y, comenzando con un artículo de gran éxito publicado hoy (12 de julio) en la revista Science y firmado por cientos de científicos repartidos en docenas de laboratorios, está liderando a los astrofísicos vertiginosos a reescribir sus modelos del universo.

Esto se debe a que, por primera vez, este neutrino de alta energía, una partícula fantasmal que apenas interactúa con otra materia, deja suficientes pistas para que descubran de dónde proviene.

Durante 4 mil millones de años, este neutrino se disparó a través del espacio sin ser perturbado. Podría haber pasado estrellas, trozos de roca u otras galaxias. Incluso podría haber pasado a través de ellos; Los neutrinos generalmente pueden fluir a través de la materia sin dejar rastro. Entonces, durante la mayor parte del tiempo que tomó vida en la Tierra surgir, formar bacterias, hongos, plantas y animales, y para que uno de esos animales (nosotros) descubriera su existencia, este neutrino viajó sin ser molestado. [Los 18 mayores misterios sin resolver en la física]

Luego se estrelló contra un átomo en un bloque de hielo en la Antártida, escupió otra partícula de alta energía llamada muón en el Observatorio de Neutrinos IceCube, un detector de partículas masivas enterrado bajo el hielo antártico, y desapareció para siempre.

Un delgado flujo de neutrinos de alta energía desde las profundidades del cosmos se estrella contra la Tierra todo el tiempo. Pero esta colisión de neutrinos fue especial: los científicos estaban listos para ello. Años de refinamiento en sus instrumentos los habían preparado para detectar el neutrino, descubrir rápidamente de qué parte del cielo venía y luego apuntar telescopios de todo el mundo hacia ese parche de cielo. No fue la primera vez que lo intentaron, pero esta vez funcionó: el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, y luego docenas de observatorios más en todo el mundo, captó la débil señal de la galaxia natal del neutrino, denominada "blazar" Gracias a sus llamas de energía electromagnética que se disparan hacia la quema de la Tierra.

Los investigadores concluyeron que hay un blazar en lo profundo del espacio, parte de la familia de objetos más brillantes del universo: galaxias con motores de agujeros negros supermasivos que disparan rayos de energía hacia la Tierra. Y este blazar está acelerando los neutrinos a enormes energías, y arrojándolos a nuestro planeta.

Un proyecto de detective cósmico.

Descubrir una fuente de neutrinos cósmicos no hubiera sido posible en absoluto sin IceCube, según Derek Fox, un astrofísico de la Universidad Estatal de Pennsylvania, cuyo equipo dirigió una parte crucial de la investigación. [Fotos de IceCube: Laboratorio de física enterrado bajo hielo antártico]

La gran mayoría de los neutrinos que fluyen a través de nuestros cuerpos todos los días, dijo Fox a WordsSideKick.com, se forman en la atmósfera de la Tierra, los productos de las colisiones entre el gas y otras partículas cósmicas de alta energía. Incluso esos pocos instrumentos en todo el mundo lo suficientemente sensibles para detectar neutrinos, dijo, están más o menos ciegos a los neutrinos cósmicos mucho más raros por la "niebla" de los neutrinos locales que oscurecen la vista.

Pero en 2013, IceCube perforó esa niebla. El observatorio se había vuelto lo suficientemente sensible como para separar los neutrinos cósmicos de mayor energía de la radiación de fondo de sus primos atmosféricos de menor energía. El documento que anunciaba que el descubrimiento en Science en 2013 fue en sí mismo un gran resultado para la ciencia de los neutrinos, la primera prueba directa de los neutrinos que se originaron tan lejos.

El laboratorio IceCube en la Antártida, con el telón de fondo de la Vía Láctea y una aurora en el horizonte. Imagen tomada en mayo de 2017.

El laboratorio IceCube en la Antártida, con el telón de fondo de la Vía Láctea y una aurora en el horizonte. Imagen tomada en mayo de 2017.

Crédito: Martin Wolf / IceCube / NSF

El siguiente paso importante, según Regina Caputo, una astrofísica de partículas de la Universidad de Maryland que lideró el equipo del telescopio Fermi que descubrió por primera vez el blazar de quema a lo largo de la trayectoria del neutrino, fue cómo utilizar de la manera más efectiva los datos del neutrino para cazar el Fuentes de partículas. [Extraños quarks y muones: se disecan las partículas más pequeñas de la naturaleza (infografía)]

Ahí es donde entró el equipo de Fox. Azadeh Keivani, un astrofísico que en ese momento era un investigador postdoctoral que trabajaba en el laboratorio de Fox y ahora es miembro de la Universidad de Columbia, dijo que IceCube estaba tardando demasiado en detectar neutrinos cósmicos para que la información fuera fácil usable.

"Lo más rápido posible, llevaría unas pocas horas, y lo redujimos a menos de un minuto", dijo Keivani a WordsSideKick.com.

A esa velocidad, IceCube podría alertar a los observatorios de todo el mundo justo momentos después de que ocurriera una detección interesante, dijo. IceCube ya podría seguir el camino del neutrino lo suficientemente cerca (al estudiar el muón que emitió) para reducir su fuente a un trozo de cielo aproximadamente el doble de ancho que una luna llena. Sacar esa información rápidamente permitió que toda la batería de los telescopios más sensibles del mundo escaneara ese espacio, aún un área de búsqueda muy amplia en términos astronómicos, según Caputo, para encontrar pistas sobre su procedencia.

La deteccion

Cuando el neutrino, ahora llamado IceCube-170922A, golpeó el detector, Darren Grant estaba sentado en su oficina en la Universidad de Alberta. El portavoz y astrofísico de IceCube dijo que era notable, lo suficientemente interesante como para conversar con un colega en el pasillo, pero que no era sorprendente.

"IceCube detecta neutrinos [a este nivel de energía] aproximadamente una vez al mes", dijo Grant a WordsSideKick.com. "Se convierte en una especie de rutina".

Otros once neutrinos en ese nivel de energía habían golpeado previamente el detector desde que comenzó la colaboración con otros telescopios, dijo Fox, y ninguno había sido rastreado hasta su origen.

Entonces, la alerta se apagó, los observatorios de todo el mundo apuntaron sus telescopios al parche del cielo del que provenía, y luego, dijo Fox, no pasó nada... durante días.

"No parecía que hubiera nada extraordinario en el cielo", dijo. Los astrónomos notaron el blazar, pero no saltó a ellos como una fuente probable. "Para nosotros, en ese momento, era solo una especie de neutrino número 12, y lo pusimos en la lista [y seguimos adelante]".

Pero luego, unos días más tarde, los investigadores de Fermi enviaron una alerta: ese blazar estaba en llamas. El telescopio de rayos gamma lo había visto emitiendo ocho veces más rayos gamma de lo habitual, el más brillante que había sido. Algo (los investigadores no saben exactamente qué) hacía que la galaxia emitiera un chorro de fotones gamma súper rápidos de alta energía. Ese mismo proceso pudo haber emitido el neutrino.

"El truco con los blazars es que solo porque se quema en una longitud de onda no significa que se está quemando en otra", dijo Caputo.

Fermi, un observatorio de gran angular sensible a una porción clave del espectro de rayos gamma, estaba bien sintonizado con la radiación gamma proveniente del blazar, y había notado que se encendía desde abril. Y una vez que detectó esta fuente probable, que no saltó a otros telescopios ese día porque no eran tan sensibles a esa región del espectro, otros telescopios podrían seguir para confirmar el blazar como la fuente probable de neutrinos.

"Pudimos decir: 'Oh, probablemente viene de este blazar'. Entonces, todos los otros telescopios realmente podrían concentrarse y apuntar a esa fuente en particular ", dijo Caputo.

Otro observatorio de rayos gamma, MAGIC en las Islas Canarias frente a la costa oeste de África, luego hizo observaciones de seguimiento que ayudaron a confirmar este blazar, TXS 0506 + 056, como fuente de neutrinos, dijo. Muchos más observatorios finalmente obtuvieron resultados similares. Por primera vez, los astrofísicos habían identificado la fuente de un neutrino cósmico. Más tarde, los investigadores que analizaron datos antiguos mostraron que varios de los neutrinos más detectados en los nueve años y medio anteriores en IceCube probablemente provenían del mismo blazar. Ese resultado también fue publicado hoy (12 de julio) en la revista Science.

Que significa

Si bien Caputo y Fox dijeron que sospechaban que los blazars estaban involucrados en neutrinos cósmicos, y la idea había sido popular durante muchos años (Fox señaló un artículo publicado en la revista preXint arXiv en 2001 que especulaba que este blazar exacto podría ser una fuente de neutrinos), había caído en desgracia. Los investigadores comenzaron a preocuparse, dijo Fox, de que simplemente no había suficientes blazars en el cielo para explicar todas las diferentes direcciones de las que provienen los neutrinos cósmicos.

Este resultado es un "primer paso" y una "prueba de concepto", dijo Grant, mostrando primero que al menos algunos neutrinos provienen de blazars.

Sin embargo, dijo Caputo, los investigadores aún no saben cómo el blazar produce los neutrinos. (Aunque también hay documentos complementarios que comienzan a trabajar la física). Y es probable que haya otros tipos de fuentes de neutrinos por ahí que los investigadores aún no han detectado. Los investigadores han cruzado el umbral hacia una astronomía precisa de neutrinos, dijo Grant. Pero hay mucho más que aprender.

Publicado originalmente en Ciencia viva.


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