Coronas de agujeros negros supermasivos podrian ser las fuentes ocultas de los misteriosos neutrinos cósmicos vistos en la Tierra gracias a un nuevo modelo

Imagen del telescopio espacial Hubble de la NASA de Galaxy NGC 1068 con su agujero negro activo que se muestra como una ilustración en el recuadro ampliado. Un nuevo modelo sugiere que la corona alrededor de estos agujeros negros supermasivos podría ser la fuente de neutrinos cósmicos de alta energía observados por el Observatorio de Neutrinos IceCube. Crédito: NASA / JPL-Caltech.

El origen de los neutrinos cósmicos de alta energía observados por el Observatorio de Neutrinos IceCube, cuyo detector está enterrado en las profundidades del hielo antártico, es un enigma que ha dejado perplejos a los físicos y astrónomos. Un nuevo modelo podría ayudar a explicar el flujo inesperadamente grande de algunos de estos neutrinos inferido por datos recientes de neutrinos y rayos gamma. Un artículo de investigadores de Penn State que describe el modelo, y que aparece el 30 de junio de 2020 en la revista Physical Review Letters, apunta a los agujeros negros supermasivos encontrados en los núcleos de las galaxias activas como las fuentes de estos misteriosos neutrinos. 

"Los neutrinos son partículas subatómicas tan pequeñas que su masa es casi cero y rara vez interactúan con otra materia", dijo Kohta Murase, profesor asistente de física y astronomía y astronomía en Penn State y miembro del Centro de Astrofísica Multimessenger en el Instituto de Gravitación y el Cosmos (IGC), quien dirigió la investigación. "Los neutrinos cósmicos de alta energía son creados por aceleradores energéticos de rayos cósmicos en el universo, que pueden ser objetos astrofísicos extremos como los agujeros negros y las estrellas de neutrones. Deben estar acompañados por rayos gamma u ondas electromagnéticas a energías más bajas, e incluso a veces ondas gravitacionales. Entonces, esperamos que los niveles de estos diversos 'mensajeros cósmicos' que observamos estén relacionados. Curiosamente, los datos de IceCube han indicado un exceso de emisión de neutrinos con energías inferiores a 100 teraelectrones voltios (TeV), en comparación con el nivel de rayos gamma de alta energía correspondiente visto por el telescopio espacial de rayos gamma Fermi ". 

Los científicos combinan información de todos estos mensajeros cósmicos para aprender sobre los eventos en el universo y reconstruir su evolución en el floreciente campo de la "astrofísica multimessenger". Para eventos cósmicos extremos, como explosiones estelares masivas y chorros de agujeros negros supermasivos, que crean neutrinos, este enfoque ha ayudado a los astrónomos a identificar las fuentes distantes y cada mensajero adicional proporciona pistas adicionales sobre los detalles de los fenómenos. 

Para los neutrinos cósmicos por encima de 100 TeV, una investigación previa realizada por el grupo de Penn State mostró que es posible tener una concordancia con los rayos gamma de alta energía y los rayos cósmicos de ultra alta energía que se ajustan a una imagen multimessenger. Sin embargo, existe una creciente evidencia de un exceso de neutrinos por debajo de 100 TeV, que no puede explicarse simplemente. Muy recientemente, el Observatorio de Neutrinos IceCube reportó otro exceso de neutrinos de alta energía en la dirección de una de las galaxias activas más brillantes, conocida como NGC 1068, en el cielo del norte. 

"Sabemos que las fuentes de neutrinos de alta energía también deben crear rayos gamma, por lo que la pregunta es: ¿dónde están estos rayos gamma que faltan?" dijo Murase. "Las fuentes están de alguna manera ocultas a la vista en los rayos gamma de alta energía, y la tasa energética de los neutrinos liberados en el universo es sorprendentemente grande. Los mejores candidatos para este tipo de fuente tienen entornos densos, donde los rayos gamma serían bloqueados por sus interacciones con radiación y materia, pero los neutrinos pueden escapar fácilmente. Nuestro nuevo modelo muestra que los sistemas de agujeros negros supermasivos son sitios prometedores y el modelo puede explicar los neutrinos por debajo de 100 TeV con requisitos energéticos modestos ". 

El nuevo modelo sugiere que la corona, el aura de plasma supercaliente que rodea a las estrellas y otros cuerpos celestes, alrededor de los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el núcleo de las galaxias, podría ser una fuente. Análogamente a la corona vista en una imagen del Sol durante un eclipse solar, los astrofísicos creen que los agujeros negros tienen una corona sobre el disco giratorio de material, conocido como disco de acreción, que se forma alrededor del agujero negro a través de su influencia gravitacional. Esta corona es extremadamente caliente (con una temperatura de aproximadamente mil millones de grados Kelvin), magnetizada y turbulenta. En este entorno, las partículas pueden acelerarse, lo que conduce a colisiones de partículas que crearían neutrinos y rayos gamma, pero el entorno es lo suficientemente denso como para evitar el escape de los rayos gamma de alta energía. 

"El modelo también predice contrapartes electromagnéticas de las fuentes de neutrinos en rayos gamma 'suaves' en lugar de rayos gamma de alta energía", dijo Murase. "Los rayos gamma de alta energía se bloquearían, pero este no es el final de la historia. Con el tiempo, se reducirían en cascada a energías más bajas y se liberarían como rayos gamma 'blandos' en el rango de voltios de megaelectrones, pero la mayoría de los rayos gamma existentes detectores, como el telescopio espacial de rayos gamma Fermi, no están sintonizados para detectarlos ". 

Hay proyectos en desarrollo que están diseñados específicamente para explorar dicha emisión suave de rayos gamma desde el espacio. Además, los detectores de neutrinos de próxima y próxima generación, KM3Net en el Mar Mediterráneo y IceCube-Gen2 en la Antártida serán más sensibles a las fuentes. Los objetivos prometedores incluyen NGC 1068 en el cielo del norte, para el cual se informó el exceso de emisión de neutrinos, y varias de las galaxias activas más brillantes en el cielo del sur. 

"Estos nuevos detectores de rayos gamma y neutrinos permitirán búsquedas más profundas para la emisión multimessenger de las coronas de agujeros negros supermasivos", dijo Murase. "Esto permitirá examinar críticamente si estas fuentes son responsables del gran flujo de neutrinos de nivel medio de energía observado por IceCube como nuestro modelo predice". 

Fuente: Penn State,