Astrofísicos creen haber encontrado la misteriosa fuente de neutrinos de alta energía

Astronomía

Algunos de los objetos más brillantes y energéticos del Universo son la fuente misteriosa de neutrinos cósmicos de alta energía, según ha confirmado una nueva investigación. Un análisis exhaustivo ha vinculado de manera bastante concluyente galaxias que albergan núcleos en llamas conocidos como blazares con estas enigmáticas partículas. Es un resultado que proporciona una solución realmente inesperada a un problema que ha tenido a los astrofísicos rascándose la cabeza durante años.

“Los resultados proporcionan, por primera vez, evidencia observacional incontrovertible de que la submuestra de blazares PeVatron son fuentes de neutrinos extragalácticos y, por lo tanto, aceleradores de rayos cósmicos”, dijo la astrofísica Sara Buson de la Universidad Julius Maximilian de Würzburg en Alemania.

Los neutrinos son pequeñas cosas extrañas en el mejor de los casos. Estas partículas subatómicas son ubicuas y se encuentran entre las más abundantes del Universo. Sin embargo, su masa es casi cero, son eléctricamente neutros e interactúan muy poco con cualquier otra cosa en el Universo. Para un neutrino, la materia normal de la que consiste la mayor parte del Universo bien podría ser una sombra, por eso se les conoce como partículas fantasma.

Sabemos bastante bien de dónde vienen los neutrinos, los neutrinos normales. Se producen por desintegración radiactiva, que es bastante común. La mayoría de los neutrinos que detectamos en la Tierra son subproductos de reacciones nucleares en el Sol, pero también pueden ser producidos por supernovas, reacciones nucleares artificiales o la interacción entre rayos cósmicos y átomos, por ejemplo. Pero un observatorio especial en la Antártida reveló algunos realmente extraños.

Aunque los neutrinos no interactúan mucho con la materia normal, de vez en cuando lo hacen. Cuando interactúan con las moléculas en los átomos de agua, pueden producir un destello de luz muy pequeño. El Observatorio de Neutrinos IceCube tiene detectores incrustados en las profundidades del hielo antártico en el polo sur que pueden detectar estos destellos. Estas detecciones pueden revelar la energía del neutrino.

En 2012, IceCube detectó dos neutrinos que no se parecían a nada que hayamos visto antes. Sus energías estaban en escalas de petaelectronvoltios (PeV), 100 millones de veces más energéticas que los neutrinos de supernova. Y estos neutrinos de alta energía procedían del espacio intergaláctico, de origen desconocido.

Obtuvimos una pista sobre esa fuente en 2018. Debido a que los neutrinos no interactúan, viajan en línea recta a través del espacio, por lo que una gran colaboración internacional de científicos pudo rastrear un neutrino de alta energía hasta un blazar. Ese es el núcleo de una galaxia masiva alimentada por un agujero negro supermasivo activo, en un ángulo tal que los chorros de materia ionizada se aceleraron casi a la velocidad de la luz y apuntan directamente a la Tierra.

“Es interesante que hubo un consenso general en la comunidad astrofísica de que era poco probable que los blazares fueran fuentes de rayos cósmicos, y aquí estamos”, dijo en ese momento el físico de la Universidad de Wisconsin-Madison, Francis Halzen.

Aún así, quedaron algunas preguntas sobre la asociación entre blazares y neutrinos de alta energía. Así que un equipo de científicos dirigido por Buson hizo lo que hacen los científicos: se fueron a excavar. Tomaron 7 años de datos de neutrinos de todo el cielo de IceCube y los compararon minuciosamente con un catálogo de 3.561 objetos que son blazares confirmados o muy probable que lo sean. Realizaron una comparación cruzada posicional de estos catálogos, tratando de determinar si los neutrinos de alta energía podrían vincularse de manera concluyente con las ubicaciones de los blazares en el cielo.

“Con estos datos, teníamos que demostrar que los blazares cuyas posiciones direccionales coincidían con las de los neutrinos no estaban ahí por casualidad”, explicó la astrofísica Andrea Tramacere de la Universidad de Ginebra en Suiza.

“Después de tirar los dados varias veces, ¡descubrimos que la asociación aleatoria solo puede superar la de los datos reales una vez en un millón de intentos! Esta es una fuerte evidencia de que nuestras asociaciones son correctas”.

Según el análisis del equipo, la probabilidad de que ocurra al azar es 0,0000006. Esto sugiere que al menos algunos blazares son capaces de producir neutrinos de alta energía, lo que, a su vez, ayuda a resolver otro problema. El origen de los rayos cósmicos de alta energía (protones y núcleos atómicos que atraviesan el espacio a una velocidad cercana a la de la luz) también es un gran misterio.

Según Buson, los neutrinos de alta energía se producen exclusivamente en procesos que implican la aceleración de los rayos cósmicos. Esto significa, por inferencia, que ahora podemos vincular los blazares con la aceleración de los rayos cósmicos, dijo el equipo.

“El proceso de acreción y la rotación del agujero negro conducen a la formación de chorros relativistas, donde las partículas se aceleran y emiten radiación hasta energías de mil billones de la de la luz visible”. Tramacere dijo.

“El descubrimiento de la conexión entre estos objetos y los rayos cósmicos puede ser la ‘piedra de Rosetta’ de la astrofísica de alta energía”.

A partir de aquí, hay varias vías que justifican una mayor exploración. Una es tratar de descubrir por qué algunos blazars son aceleradores de partículas eficientes mientras que otros no lo son. Esto ayudará al equipo a determinar cuáles son las características de una fábrica de neutrinos y en qué otro lugar del cosmos podríamos encontrarlos. Además, análisis más detallados de los datos de neutrinos pueden producir más descubrimientos sobre los lugares de nacimiento de estas partículas fantasmales y peculiares.

La investigación ha sido publicada en The Astrophysical Journal Letters.

Fuente: Science Alert.

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