Nueva fuente astrofísica de neutrinos

El 12 de julio de este año, científicos de los consorcios del observatorio IceCube, Fermi-LAT, y los telescopios MAGIC anunciaron, en una conferencia de prensa, la detección de un neutrino de alta energía. La razón por la que esta detección fue tan importante es que corresponde a la primera vez que se logra detectar de dónde provenía el neutrino: una galaxia con un agujero negro supermasivo en su centro.

El observatorio IceCube y una representación de la detección del neutrino.

Este descubrimiento también es un excelente ejemplo de cómo funciona la denominada astronomía multimensajero.

¿Qué es un neutrino?

Un neutrino es un tipo de partícula elemental (es decir, que no está compuesta por otras partículas) de masa muchísmo menor a otras partículas de este tipo, y sin carga eléctrica. Al ser eléctricamente neutros, los neutrinos no interactúan con la materia como lo hacen otras partículas: en promedio, un solo neutrino podría ser capaz de atravesar una pared de ancho 1 año luz de plomo, sin interactuar con las partículas que la componen.

Existen distintas fuentes de neutrinos, tanto naturales como artificiales. En la naturaleza, los neutrinos se pueden poducir en nuestra atmósfera, como el resultado de los rayos cósmicos. Hasta antes del anuncio del neutrino astrofísico detectado por IceCube, las únicas fuentes astrofísicas de neutrinos que se conocían eran el Sol (y el resto de las estrellas) y las explosiones de supernova. Se cree que durante el Big Bang se pueden haber producido neutrinos de baja energía, pero estos aún no han sido detectados. De manera artificial, los neutrinos se pueden producir usando un acelerador de partículas, en reactores nucleares, y en explosiones de armas nucleares.

Los neutrinos son de las partículas más abundantes en el Universo, pero ya que casi no interactúan con la materia, son increíblemente difíciles de detectar.

El descubrimiento: nueva fuente de neutrinos

Como mencioné anteriormente, las únicas fuentes astrofísicas de neutrinos conocidas hasta ahora eran las estrellas y las explosiones de supernova. Sin embargo, y en una muestra ejemplar de cómo funcionará la astronomía multimensajero, un neutrino detectado el 22 de septiembre de 2017 en el IceCube Neutrino Observatory provino del blazar TXS 0506+056.

La diferencia entre un cuásar y un blazar está en el ángulo: si vemos la galaxia de frente, es un blazar. Si la vemos con cierta inclinación de modo que se pueden ver los chorros de partículas, es un cuásar. Imagen vía Wik.

Un blazar es un tipo de cuásar, y un cuásar es una galaxia de núcleo activo. Se dice que una galaxia tiene núcleo activo cuando la radiación electromagnética que recibimos de esta galaxia no proviene sólo de las fuentes normales como estrellas, gas, y polvo interestelar, sino que también emiten chorros de partículas de alta energía provenientes de su centro. Se piensa que estos chorros pueden ser causados por agujeros negros supermasivos presentes en el centro de estas galaxias. La única diferencia entre un blazar y un cuásar tiene relación con la inclinación del chorro que vemos provenir de la galaxia: si desde la Tierra vemos que el chorro tiene cierto ángulo, es un cuásar. Si el chorro está apuntando directamente hacia nosotros, es un blazar.

En la astronomía multimensajero, distintos instrumentos trabajan en conjunto para estudiar distintos tipos de señales, por ejemplo luz visible y rayos gamma, o luz visible y ondas gravitacionales (como fue el caso de la detección de una colisión de estrellas de neutrones en 2017), o neutrinos y rayos gamma, como fue en esta ocasión.

En cuanto IceCube detectó el neutrino, los sensores señalaron que no era un neutrino usual: su energía era mucho más alta que la de los neutrinos de rayos cósmicos. Esto activó una alarma inmediata hacia otros observatorios, en particular al telescopio espacial de rayos Gamma Fermi y a los telescopios MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes), ubicados en las Islas Canarias, que también se utilizan para detectar rayos Gamma.

Al no interactuar con campos magnéticos y solo débilmente con la materia, la ubicación de las fuentes de neutrinos son fáciles de determinar: los neutrinos no se ven perturbados en su viaje desde su fuente al detector. En esta ocasión, la parte del cielo de donde venía el neutrino correspondía a un blazar en la dirección de la constelación de Orión.

Para el telescopio espacial Fermi, la parte del cielo de donde provenía el neutrino no había pasado inadvertida: el blazar había emitido un flujo de rayos gamma mucho mayor a cualquier otro blazar que han observado en los últimos años, y el telescopio habia registrado esta información. Los telescopios MAGIC también habían detectado un flujo inusual proveniente desde esa parte del cielo.

Así, por primera vez en la historia, se pudo localizar el origen de un neutrino de alta energía, y no eran las fuentes que ya conocíamos. El blazar TXS 0506+056 se convirtió en una nueva fuente astrofísica confirmada de neutrinos.

El observatorio IceCube

El observatorio que detectó la llegada de este neutrino de alta energía no es un observatorio como los que conocemos. IceCube, ubicado en las cercanías del Polo Sur, es un instrumento especialmente diseñado para detectar neutrinos muy energéticos, como los producidos en los rayos cósmicos y en eventos como el del blazar. Los detectores se encuentran bajo el hielo, a 1500 metros de profundidad, y abarcan un área de un kilómetro cuadrado.

Las instalaciones del observatorio IceCube.

La razón por la que los detectores se encuentran bajo hielo es porque los instrumentos no detectan directamente a los neutrinos, sino al efecto que  los neutrinos generan sobre protones y neutrones: cuando un neutrino choca con una de estas partículas, la reacción emite un tipo especial de radiación conocida como radiación de Cherenkov. Es esta radiación la que detectan los sensores de IceCube. Por esto, mientras más neutrones y protones hayan entre la superficie y los detectores, mayor es la probabilidad de detectar un neutrino. Los observatorios de neutrinos utilizan grandes áreas de hielo cristalino, como en el caso de IceCube, o de agua líquida como en el Super-Kamiokande, un detector de neutrinos en Japón.

El detector de neutrinos Super-Kamiokande, en Japón, utiliza agua cristalina para detectar el choque de neutrinos con protones y neutrones.

IceCube fue el primer observatorio de neutrinos en entrar en funcionamiento, es sensible sólo a neutrinos de energías altas, y en sus siete años ha detectado cientos de neutrinos de rayos cósmicos.

Fuentes y links de interés

 

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