Neutrinos del detector IceCube indican sobre un buscado acelerador de rayos cósmicos

En esta impresión artística, basada en una imagen real de laboratorio IceCube en el Polo Sur, una fuente distante de emisión de neutrinos es detectada bajo el hielo por los sensores de IceCube. Crédito: IceCube/NSF

Un equipo internacional de investigadores, con una importante aporte de investigadores de la Universidad de Maryland, ha hallado la primera evidencia de una fuente de neutrinos cósmicos de alta energía — partículas subatómicas fantasmagóricas que viajan hacia la Tierra sin ningún impedimento por billones de años luz desde los entornos más extremos del Universo.

Las observaciones fueron inicialmente realizadas por el IceCube Neutrino Observatory en la Base Amundsen-Scott del Polo Sur y corroboradas por observatorios terrestres y estacionales por todo el planeta, que sirven para resolver un centenario misterio acerca de que envía estas partículas subatómicas tales como los neutrinos o los protones, aceleradas a través del Universo. El esfuerzo coordinado estuvo basado en un sistema de alerta en donde la UMD tuvo un papel relevante para su desarrollo.

Dos artículos han sido publicados en la revista Science que aportan pruebas sobre el origen de las energéticas partículas y que podrían originarse en chorros emanando de agujeros negros supermasivos — elementos astrofísicos conocidos como Blazares debido a su resplandeciente brillante luz (del inglés blaze, fulgor) que son emitidas en dirección a la Tierra. Un blazer, denominado pro los astrónomos TXS 0506+056, fue identificado como una posible fuente debido a una alerta automatizado enviada alrededor del mundo por el IceCube el 22 de septiembre de 2017.

Equipado con un sistema de alerta casi instantánea a tiempo real — desarrollado en parte por investigadores de la UMD y accionado por un único, muy altamente energético neutrino colisionando con un núcleo atómico en el hielo antártico en o cerca de los detectores de IceCube — el IceCube retransmitió las coordenadas de donde probablemente procedía el neutrino del 22 de septiembre.

Dos observatorios de rayos gamma de la NASA, un en órbita, el Fermi Gamma-ray Space Telescope y el Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope, o MAGIC, en las Islas Canarias, detectaron una fulgurante emisión de alta energía de rayos gamma y que también parecían proceder de TXS 0506+056, una convergencia de observaciones que de forma convincente implican al blazer como las fuente más probable.

“Este resultado subraya realmente la importancia de adoptar la táctica multimensajera en este de investigación,” dijoErik Blaufuss, un científico investigado en el Departamento de Física de la UMD quien ha liderado el esfuerzo en lso ultimso años para crear y dotar al sistema IceCube la capacidad para dar las alarmas de alta energía. “Es probable que cualquier observación hecha por separado no nos hubiese permitido enlazar el origen y procedencia de la fuente.”

Fermi fue el primer telescopio en identificar actividades de rayos gamma ampliadas procedente de TXS 0506+056 en de 0,06 grados procedente de este en la dirección del neutrino de IceCube. En una década de observaciones de Fermi de esta fuente, esta fue la señal más fuerte en rayos gamma, y la de más alta energía en fotones. Un seguimiento posterior por el MAGIC detectó rayos gamma de energías incluso superiores, y observaciones por parte de otros instrumentos — incluido el espectro óptico, radio y por telescopios de rayos X — reforzó el caso de TXS 0506+056 de ser la fuente del 22 de septiembre.

El resultado demuestra la ventaja de combinar las señales de diferentes mensajeros cósmicos, como los neutrinos y lso fotones.

“La era de los multi-mensajeros astrofísicos está aquí,” dijo el director del National Science Foundation, France Córdova. “Cada mensajero — de una emisión de radiación electromagnética, ondas gravitacionales y ahora neutrinos — nos da una mayor comprensión del Universo, e importantes nuevas ideas acerca de los objetos más poderoso del firmamento. Semejantes avances tan solo son posibles por medio de un compromiso a largo plazo, investigación e inversión en instalaciones magnificas.”

Blazar TXS 0506+056: A tale of cosmic messengers. Credit: Weronika Racz and Igor Rams

Desde que estas fueron detectadas hace más de cien años, los rayos cósmicos — partículas altamente energéticas y que continuamente caen a la Tierra desde el espacio — estas han postulado una cuestión que ha perdurado: ¿Qué las crea y que las lanza a lo largo de tan enormes distancias? ¿De dónde vienen?

Debido a que los rayos cósmicos son partículas cargadas, sus trazos se ven desviados por los campos magnéticos que pueblan el espacio. Pero los poderosos aceleradores cósmicos que los producen también crean neutrino, estos están sin carga por lo que no son afectados incluso por los más poderosos campos magnéticos. Además, al interactuar rara vez con la materia y casi no poseer masa, los neutrinos viajan casi sin perturbados desde su creación, aportando a los científicos una dirección casi directa de su procedencia.

La detección de neutrinos de alta energía requiere un detector de partículas enorme, y IceCube es el más poderoso y más grande en términos de volumen. Este engloba más de un kilómetro cubico de profundidad de una milla inpoluta bajo la superficie del Polo Sur, el detector está compuesto de más de 5.000 sensores de luz dispuestos en una cuadricula. Cuando un neutrino interactúa con el núcleo de un átomo, se crea una partícula secundaria, que, a su vez, produce un característico cono de luz azul detectado por IceCube y topografiado a través del detector de las sensibles cámaras de la cuadricula.

Blazer neutrino detection over Antártida. IceCube/NSF

Partículas especialmente interesantes para el equipo de IceCube son las que encierran una mayor energía. El neutrino que alertó los telescopios alrededor del mundo tenía una energía de aproximadamente 300 TeV. (la energía de un protón circulando en el anillo de 26,7 kilometros del Gran Colisionador de Hadrones es de 6,5 TeV.)

Tras la detección del 22 de septiembre, el equipo de IceCube rápidamente rastreo los archivos del detector y descubrió un destello de más de una docena de neutrinos astrofísicos detectados a finales de 2014 y principios de 2015, en consonancia con los mismos destellos de TXS 0506+056. La observación independiente reafirma la detección de la observación inicial de un solitario neutrino de alta energía y añade más evidencia a que TXS 0506+056 es el primer acelerador de neutrinos de alta energía y de rayos cósmicos conocido.