Neutrinos de Orión en los hielos del sur

• Novedades del DF

*Por Gastón Giribet

El 12 de julio pasado se anunció oficialmente un descubrimiento deslumbrante que, de ser confirmado, vendría a revolucionar la manera en la que observamos el universo. El descubrimiento tuvo lugar unos meses antes, el 22 de septiembre de 2017. Ese día, los detectores del observatorio Ice-Cube, en la Antártida, detectaron un neutrino que, según indicaran observaciones astronómicas de los días que siguieron, parece haber provenido de un astro brillante de la constelación de Orión, el blázar TXS 0506+056. Se trataría, así, de la primera identificación del origen de los rayos cósmicos que llegan a la Tierra y del inicio de un nuevo tipo de astronomía.

Rayos cósmicos provenientes de la constelación de Orión

Un blázar es un fenómeno astrofísico de origen extragaláctico que está asociado a un tipo muy especial de galaxia con un núcleo activo. Muchas galaxias, si no todas ellas, tienen en su centro un agujero negro de enorme masa que es responsable de gran actividad. Violentos procesos astrofísicos ocurren en las inmediaciones de ese astro central, que recibe el nombre de agujero negro supermasivo debido a que su masa llega a ser varios órdenes de magnitud superior a la de las estrellas. La masa de un agujero negro supermasivo resulta proporcional a la de la galaxia que lo hospeda, un fenómeno para el que aún no existe explicación satisfactoria. En el caso de nuestra Vía Láctea, por ejemplo, el agujero negro que se halla en su centro es Sgr A*, con una masa de alrededor de 4 millones de veces la de nuestro Sol. En los casos de galaxias mayores, éstas llegan a albergar agujeros negros mucho más masivos, que alcanzan varios miles de millones de masas solares y que son fuente de gran actividad en el núcleo galáctico.

Los agujeros negros supermasivos generan un intenso campo gravitatorio que atrae la materia que se encuentra en sus inmediaciones. Así, estos astros terminan vistiéndose con un disco de acreción de materia ionizada, polvo, gas e incluso estrellas que son atraídas y eventualmente arrastradas a su interior. Toda esta materia, al encontrarse en agitación y fricción constante, arremolinada en una región reducida de unas fracciones de pársec cerca del agujero negro, alcanza temperaturas extremas. Esto lleva a la materia moribunda a emitir radiación de muy alta energía y propulsar partículas hacia el medio intergaláctico en forma de un jet colimado que se eleva en la dirección perpendicular al gran vórtice.

Lo que diferencia a un blázar de otra galaxia con núcleo activo no es sólo la existencia de jets  ultraenergéticos sino también el hecho de que, por el azar de la distribución cósmica de los astros, uno de estos jets termina apuntando en la dirección de nuestro planeta. En resumen, los blázares son galaxias lejanas cuyos agujeros negros centrales emiten dos jets de partículas que se disparan en direcciones perpendiculares al torbellino de materia que ellos van ingiriendo, y uno de esos jets, providencial, nos ilumina a nosotros. Desde la Tierra, recibimos la luz y las partículas del chorro de energía, lo que aparece en nuestro mapa del cielo como una fuente de brillo inusual, una potente luz que nos habla de un violento ocurrir, allá, a lo lejos.

Representación artística de un blázar.

Los jets se componen de materia ionizada, partículas fundamentales y radiación electromagnética de diferentes frecuencias; en particular, rayos gamma. Su intensidad no es constante en el tiempo, ya que ésta depende de la cantidad de materia que el agujero negro supermasivo que les da origen esté consumiendo. Así, los blázares aparecen como objetos estelares de emisión variable, y experimentan períodos de mayor actividad que pueden durar algunos días. Sus fulguraciones pueden aumentar por lapsos breves y luego refluir a sus niveles medios. 

El blázar TXS 0506+056, del que hablamos aquí, está ubicado a unos 3.700 millones de años luz de nosotros, en la dirección de lo que una arcaica manera de mapear el cosmos nos convence de llamar la constelación de Orión. La emisión de partículas, producto de una etapa de gran actividad de este blázar de Orión, es lo que se ha detectado recientemente en el observatorio Ice-Cube de la Antártida.

Centinela del hielo

Ice-Cube es un observatorio de partículas emplazado en la Estación Científica Amundsen-Scott, en el continente blanco, muy cerca del polo sur. Fue construido con el propósito de detectar neutrinos, esas ligeras y escurridizas partículas que son renuentes a interactuar con la materia y que, por ende, son difíciles de atrapar.

Detectar neutrinos requiere, en efecto, de gran ingenio y de una sofisticada infraestructura, como la de Ice-Cube. El observatorio contiene 5.000 detectores enterrados en el suelo antártico, alojados en pequeñas cavidades talladas en el hielo, a pocos kilómetros de profundidad, dispersos en un volumen de un kilómetro cúbico de límpida agua congelada. Esos detectores, llamados módulos, se componen de cámaras muy sensibles provistas de un fotomultiplicador y una pequeña computadora. Enterrados allí, en el hielo austral, los módulos monitorean continuamente el gran volumen de hielo esperando rastros del paso de una partícula extraña que dispare la señal.

El observatorio Ice-Cube en el polo sur.

Los neutrinos, como decíamos, son reacios a interactuar con la materia, e incluso con ellos mismos. Sólo lo hacen por medio de la llamada fuerza nuclear débil –y de la fuerza gravitatoria, que es aún más débil–, lo que los hace indiferentes tanto a la mayoría de las reacciones nucleares cuanto a las interacciones electromagnéticas de cualquier frecuencia; es decir, los neutrinos son, literalmente, partículas elementales invisibles. Por consiguiente, aunque constantemente llegan la Tierra provenientes de todas las direcciones y de manera copiosa, su baja propensión a interaccionar con la materia lleva a los neutrinos a atravesar nuestro planeta sin siquiera notarlo. Sólo una pequeñísima, por lo general indetectable, cantidad de neutrinos termina por interactuar con algún átomo de nuestro planeta. Esto hace casi improbable que un neutrino, en su andar el universo, venga a impactar justo con un átomo del escaso kilómetro cúbico de hielo custodiado por los detectores de Ice-Cube.

Es precisamente gracias a esta baja probabilidad de detectar neutrinos –probabilidad que no es nula sino pequeña– que sabemos de ellos. Para entender esto debemos invertir el razonamiento de arriba: Si Ice-Cube viniera a detectar el paso de algunos neutrinos, la improbabilidad de tal suceso significaría que una inusual cantidad de ellos debió haber llegado a la Tierra en el momento de la detección. Sólo así se entendería que algunos ejemplares de tan escurridiza especie quedaran atrapados en nuestras redes. “El cardumen hubo de ser grande”, concluiríamos.

Eso ocurrió el 22 de septiembre pasado, y en algunas otras pocas ocasiones desde que Ice-Cube comenzó a funcionar, allá por finales de 2010. La primera detección apreciable de neutrinos en Ice-Cube tuvo lugar en 2013, y desde entonces algunas decenas de neutrinos en el rango de energías del tera-electronvoltio fueron observados en el hielo antártico. En particular, los detectores de Ice-Cube encendieron sus alarmas el 22 de septiembre pasado, y esta vez se trató de un evento muy especial.

Los eventos de septiembre

Lo que Ice-Cube detectó fue, en realidad, la radiación electromagnética producida por una serie de procesos que la colisión de un neutrino con un átomo desencadena. Al tratarse de detectores ópticos, los módulos de Ice-Cube no detectan el neutrino directamente –los neutrinos no interaccionan con la luz–. Lo que en realidad ocurre es que, al colisionar con las partículas que componen los átomos en el hielo, el neutrino genera una partícula llamada muón, que es similar al electrón pero unas dos mil veces más pesada. Este muón, al ser una partícula cargada eléctricamente, sí interacciona con la luz. Éste puede desplazarse por unos pocos metros dentro del hielo acarreando una porción del impulso que el neutrino original le supo propinar y finalmente emitir luz. Es la luz producida por el muón lo que los detectores ópticos colectan. Se trata, así, de una detección indirecta –como lo es todo ver– pero que aun así permite reconstruir la trayectoria y cantidades cinemáticas del neutrino que desencadenó la serie de procesos.

En el evento detectado el 22 de septiembre de 2017 lo que en realidad se vio fue eso, un muón; pero un muón muy sospechoso: La partícula apareció en las cámaras de Ice-Cube trayendo una inclinación inesperada, como si hubiera venido del centro de la tierra y no desde el espacio. Los muones se generan también en la alta atmósfera y, aunque muchos mueren en el trayecto, una gran cantidad de ellos llega a la superficie terrestre sin mayor dificultad. Por ello, la detección de muones provenientes del cielo no sería algo extraño. Lo que sí es difícil de explicar es que un muón con la energía del observado esa nochecita de la primavera austral provenga, no del cielo, sino de la misma masa terrestre. Los muones, a diferencia de los neutrinos, no pueden atravesar la masa rocosa del planeta sin desaparecer en el intento. Esto es síntoma inequívoco de que ese muón detectado acababa de ser creado por algo más, alguna partícula predecesora; ese muón no era sino el postrer aliento de un neutrino cansino que hasta ahí llegó, un neutrino proveniente de una fuente lejana.

A la pregunta de cuáles son las chances de detectar un neutrino de esa energía en el kilómetro cúbico de hielo monitoreado por el observatorio antártico le cabe una enfática respuesta: Bajísimas. De esto concluimos que, si vimos uno, pues es que debió haber una cantidad inusual de ellos; una copiosa lluvia de neutrinos debió acaecer ese día de septiembre.

El hielo y el cielo

Los detectores de Ice-Cube dispararon una alarma a los pocos segundos de haber detectado el paso de la partícula. Menos de un minuto después del hallazgo el evento ya tenía su nombre (Ice-Cube170922A) y se alertaba a distintos observatorios astronómicos en diferentes puntos del planeta, incluyendo los que operan telescopios a bordo de satélites. La idea era que, conociendo la dirección aproximada de la cual la lluvia de neutrinos parecía provenir –lluvia de la que sólo una gota había sido retenida por los detectores–, los telescopios enfocarían sus esfuerzos en esa región del firmamento para buscar allí evidencia de algún evento astrofísico que pudiera ser identificado como la fuente del inusual chorro de partículas.

Imagen del blázar TXS0506+056

Cuando los fenómenos astrofísicos muy energéticos tienen lugar, por lo general las emisiones de materia y energía se producen en varias formas, en diferentes partes del espectro, en distintos tipos de radiación. Así, se esperaba que la emisión de neutrinos viniera acompañada de contrapartes electromagnéticas, en rayos X o en rayos gamma. Lo que hace a esta historia interesante es que tales emisiones compañeras fueron, en efecto, observadas.

Mediciones inusuales en el espectro de rayos X fueron las primeras en ser detectadas. Tal como se anunciaba un día después, el 23 de septiembre, casi una decena de fuentes activas en rayos X fueron identificadas en la región del cosmos de la cual los neutrinos parecían provenir; entre ellas, el blázar TXS 0506+056, hoy sindicado como el responsable. La confirmación vino unos días después, sobre fines de septiembre, cuando el telescopio de gran área LAT, a bordo del satélite Fermi de la NASA y con la misión de vigilar celosamente miles de blázares, anunciaba una inusual actividad en TXS 0506+056, en la constelación de Orión, de donde los neutrinos parecían provenir. Observaciones en radio y otras frecuencias también fueron realizadas.

La correlación entre la actividad inusual de rayos gamma en TXS 0506+056 y el arribo de una gran cantidad de neutrinos a la Tierra excitó a la comunidad. La coincidencia en la dirección angular y en el tiempo de ambos fenómenos deja pocas dudas. Como se suele decir en estos casos, aquello era ver la pistola humeando luego de haber oído el disparo.

A raíz de este descubrimiento, la colaboración científica Ice-Cube emprendió la tarea de revisar detecciones previas de neutrinos, acaecidas en los años anteriores, entre 2012 y 2017. Encontraron en ese registro más evidencia del origen de las lluvias observadas.

Esta es la primera vez que se identifica con tanta claridad la posible fuente de neutrinos de ese nivel de energía. Los neutrinos, aunque tienen una pequeñísima masa y, por lo tanto, no pueden viajar a la velocidad de la luz, sí lo hacen a una velocidad muy cercana a ésa. Es por ello que, aunque provenientes de miles de millones de años luz, la señal de rayos gamma del blázar y los neutrinos llegan a la tierra casi simultáneamente.

Este descubrimiento es de enorme importancia, dado que se trata de la primera vez que se identifica la fuente de rayos cósmicos de tal energía. Si bien es cierto que conocemos de la existencia de rayos cósmicos desde hace más de un siglo, que sabemos del origen extrasolar de la mayoría de ellos, que sospechamos del origen extragaláctico de muchos de ellos, y que tenemos teorías al respecto en las que bien confiamos, también es cierto que hasta el momento las únicas fuentes identificadas de los neutrinos que arriban a la Tierra eran dos: el Sol y la explosión de supernova observada en 1987 (denominada SN1987A). La detección de neutrinos en Ice-Cube el 22 de septiembre de 2017 y su correlato con la actividad del blázar TXS 0506+056 es la primera identificación del origen de un flujo de neutrinos de altas energías.

Sumando fuerzas para mapear el cosmos

Esto parece hitar el comienzo de una nueva etapa de la astronomía. Hasta 2015, la astronomía se restringía a la observación de la luz proveniente de los astros y la consecuente tarea de inferir qué procesos físicos podrían dar origen a la emisión observada. Y si bien la vastedad del espectro electromagnético nos permitió estudiar diferentes rangos de energías y diferentes tipos de fenómeno, el principio físico atrás de toda observación astronómica era el mismo: Tanto la astronomía convencional, como la radioastronomía, o la astronomía en el infrarrojo, o en el espectro de rayos X o de rayos gamma, son todas subdisciplinas basadas en lo mismo, la detección de la luz del proceso distante. La historia comenzó a cambiar en 2015, a partir de la detección de las ondas gravitacionales en los observatorios LIGO y Virgo. Se abrió entonces la ventana a un nuevo tipo de astronomía, que ya no percibe al cosmos simplemente por la luz que sus astros emiten, sino que lo hace escuchando también las perturbaciones del campo gravitatorio que esos astros, muchos invisibles, producen en su andar y encontrarse. Ahora, a la luz de esta observación de los neutrinos producidos por el blázar de Orión, una tercera manera de sentir el cosmos parece sumarse a las anteriores: Ya no son la electromagnética y la gravitatoria las únicas fuerzas con las que sentimos el universo, sino que ahora también la fuerza nuclear débil contribuye a la empresa. Es esta última fuerza la que genera los neutrinos en galaxias distantes que, luego de un trayecto extenuante de miles de millones de años luz, quedan atrapados allí, en los hielos del sur.

Referencias

[1] Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert, by the IceCube Collaboration, in Sciences, July 12^th, 2018.

http://science.sciencemag.org/content/early/2018/07/11/science.aat2890.full

[2] Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A, by the IceCube Collaboration, in Sciences, July 12^th, 2018.

http://science.sciencemag.org/content/early/2018/07/11/science.aat1378.full

[3] Single subatomic particle illuminates mysterious origins of cosmic rays, in Nature, July 13^th, 2018. https://www.nature.com/articles/d41586-018-05703-y

(*) Gastón Giribet, Profesor del Departamento de Física, Exactas, UBA. Investigador Principal en IFIBA de UBA-CONICET. Investigador del Centro de Cosmología y Física de Partículas de New York University.