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  • 13/07/2018

Astronomía

Observan los primeros neutrinos cósmicos asociados a un blázar

Varios observatorios de todo el mundo obtienen los primeros indicios claros sobre el origen de los neutrinos cósmicos de alta energía. El resultado apuntala una nueva forma de estudiar el universo y sugiere que los blázares podrían ayudar a resolver el eterno rompecabezas de los rayos cósmicos.

Science

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Instalaciones del observatorio IceCube. Sus miles de detectores, enterrados bajo el hielo de la Antártida, abarcan un volumen aproximado de un kilómetro cúbico. [Martin Wolf/IceCube/Fundación Nacional para la Ciencia de EE.UU.]

Varias incógnitas que desde hace tiempo ocupan a los astrónomos podrían comenzar a resolverse gracias a la detección de varios neutrinos de alta energía por parte del observatorio IceCube, el descomunal detector de neutrinos de un kilómetro cúbico enterrado bajo el hielo de la Antártida.

Por primera vez, los científicos creen haber conseguido observar tanto los fotones como los neutrinos emitidos por una misma galaxia distante. «Es la primera vez que se identifica la fuente de un neutrino cósmico. De los otros 80 neutrinos de alta energía que ha detectado IceCube [en sus años de funcionamiento], no se ha identificado ninguna fuente», explica Carlos Pérez de los Heros, investigador de la Universidad de Uppsala y miembro de la colaboración IceCube.

De confirmarse, el hallazgo no solo consolidaría una nueva manera de estudiar el universo, sino que aportaría pistas de gran valor sobre uno de los misterios más persistentes de la astronomía: el origen de los rayos cósmicos. Los resultados se publican en Science.

El neutrino IceCube-170922A

La historia comienza con la detección de un único neutrino. El 22 de septiembre de 2017, IceCube observó un neutrino de alta energía (290 teraelectronvoltios, 45 veces la energía que alcanza cada uno de los haces de protones del LHC del CERN) procedente de cierta dirección del cielo. El evento, bautizado IceCube-170922A por la fecha en que se detectó, fue anunciado inmediatamente a otros observatorios de todo el mundo.

Cuatro y seis días después, respectivamente, los telescopios espaciales Swift y Fermi, ambos de la NASA, comunicaron la existencia de una fuente de rayos X y gamma ubicada en la misma región del cielo de la que procedía el neutrino detectado por IceCube. En las semanas siguientes, varios telescopios de todo el mundo se unieron a estudiar el fenómeno en todas las longitudes de onda.

En concreto, el neutrino detectado por IceCube fue asociado al blázar TXS 0506+056, un objeto situado a unos 4000 millones de años luz de la Tierra. Los blázares son núcleos galácticos activos (galaxias en cuyo centro hay un agujero negro supermasivo que se encuentra engullendo grandes cantidades de materia) cuyo chorro de emisión apunta en dirección a la Tierra, por lo que se hallan entre los objetos más brillantes del universo.

El blázar TXS 0506+056 ya figuraba en los catálogos del telecopio Fermi, si bien su distancia solo fue determinada por un estudio publicado en febrero en The Astrophisical Journal Letters. Los distintos observatorios también confirmaron que, en el momento de la detección del neutrino, el blázar se encontraba en una fase en la que su brillo era inusualmente elevado.

Aunque esta secuencia de acontecimientos ya era conocida, aún faltaba por cuantificar la significancia estadística del resultado. Ese análisis es el que se publica en Science. Según los investigadores, la correlación entre los destellos luminosos y el neutrino detectado por IceCube presenta una significancia estadística de 3 sigmas. Eso quiere decir que la probabilidad de que ambas señales no estén relacionadas y aun así hayan coincidido en el espacio y en el tiempo por pura suerte es del orden del 0,3 por ciento.

Aunque se  trata de un resultado alentador, sigue estando por debajo de los estrictos estándares que los físicos de altas energías se imponen a sí mismos para proclamar un descubrimiento. Por tanto, la posible relación entre neutrinos y blázares aún tendrá que ser confirmada por futuras observaciones. «En principio hay cierta probabilidad de que sea un neutrino atmosférico y se trate de una coincidencia con la dirección de TXS», matiza Pérez de los Heros. «Pero esa es la hipótesis que resulta desfavorecida.»

Neutrinos previos y rayos cósmicos

Sin embargo, el descubrimiento no ha acabado ahí. En un segundo trabajo publicado también en Science, la colaboración IceCube revisó sus datos de archivo y encontró que, entre septiembre de 2014 y marzo de 2015, la misma zona del cielo ya había «brillado en neutrinos».

En aquellos meses, el laboratorio registró un exceso de unos 13 neutrinos procedentes de la misma región del firmamento en la que se encuentra TXS 0506+056. «Eso da mucho más peso a que realmente TXS esté emitiendo neutrinos», enfatiza Pérez de los Heros. Y, de una manera más general, sugiere que los blázares serían fuentes cósmicas de neutrinos de alta energía.

A su vez, esa conexión entre blázares y neutrinos de alta energía podría ayudar a resolver otro rompecabezas: el origen de los rayos cósmicos. Esta radiación consta de partículas de muy alta energía, esencialmente protones, que llegan a la Tierra desde todas las direcciones del espacio. Aunque fueron descubiertos hace más de un siglo por el físico Victor Hess, hoy en día su verdadero origen sigue siendo un misterio.

«Sabemos que los blázares emiten radiación gamma. Aún no está claro cómo la emiten, pero grosso modo existen dos posibilidades: los modelos hadrónicos de emisión, que implican protones, y los leptónicos, que implican partículas como los electrones», explica Alberto Domínguez, físico de la Universidad Complutense y coordinador del grupo que estudia núcleos galácticos activos en la colaboración Fermi-LAT.

«Los modelos hadrónicos producen neutrinos y los leptónicos no. Así que de la coincidencia en la detección de neutrinos con rayos gamma favorece el modelo hadrónico de emisión, al menos en este blázar, lo cual es una indicación de producción de protones acelerados a las energías necesarias para que dichos protones sean los rayos cósmicos», continúa Domínguez.

Una nueva astronomía

En conjunto, estos resultados apuntalan una técnica astronómica que hace poco inauguraron las ondas gravitacionales y que presenta un gran potencial para transformar el estudio del cosmos y del universo violento: la «astronomía de multimensajeros». Esta se basa en «ver» una misma fuente no solo con luz, o radiación electromagnética, sino también a través de las ondas gravitacionales o los neutrinos que emite.

«Creo que es extremadamente importante tener información en todos los canales (electromagnético, neutrinos, ondas gravitacionales, protones) de los objetos del cosmos. Solo así se puede llegar a entender qué es realmente lo que sucede en esos ambientes tan densos y energéticos y tan alejados de cualquier situación experimental que podamos recrear en la Tierra», señala Pérez de los Heros.

Ahora, los distintos observatorios intentarán encontrar más indicios de eventos similares en sus datos. «Después de esta coincidencia estamos todos yendo atrás, a las alertas anteriores de neutrinos, y haciendo análisis detallados de nuestros datos para ver si en su momento se nos escapó algo», concluye Domínguez.

Ernesto Lozano Tellechea

Más información divulgativa en la página web de la colaboración IceCube, astrobites.org, Science y Nature.

Referencias: «Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A», Colaboración IceCube et al. en Science, vol. 361, eeat1378, 13 de julio de 2018; y «Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert», Colaboración IceCube en Science, vol. 361, 147-151, 13 de julio de 2018. 

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