El hallazgo que podría establecer un nuevo modo de estudiar el cosmos

Se espera que un destello de luz detectado casi a un kilómetro y medio por debajo del Polo Sur resuelva un misterio cósmico que data de hace un siglo. E incluso podría traer aparejado un nuevo tipo de astronomía relacionada con partículas subatómicas espectrales llamadas neutrinos.

A principios de 1900, el físico Victor Hess descubrió que la Tierra es constantemente bombardeada por partículas energéticas provenientes del espacio exterior, que ahora llamamos rayos cósmicos. Desde entonces, los científicos han salido a la caza de los aceleradores astrofísicos responsables por lanzar las más energéticas de estas partículas por todo el cosmos.  

La mayoría de los rayos cósmicos, sin embargo, tienen carga eléctrica, y sus recorridos se tuercen debido a los campos magnéticos que se extienden por el espacio, lo que dificulta rastrear de dónde vienen. Es por esto que ahora la cacería se ha enfocado en los neutrinos: partículas sin carga y casi sin masa, cuyo origen se puede trazar de modo fidedigno.

La búsqueda está siendo liderada por  el Observatorio de Neutrinos IceCube de la Antártida, que –junto con un par de sus amigos- finalmente ha logrado rastrear el origen de un puñado de neutrinos cósmicos energéticos: una galaxia muy muy lejana. El hallazgo se incorpora a una era emergente en la astronomía en la que otras partículas (además de fotones) se pueden utilizar para estudiar y poner el cosmos al descubierto.

“Sin duda, es fascinante haber finalmente descubierto el acelerador cósmico”, afirma Francis Halzen, de la Universidad de Wisconsin-Madison, científico a cargo de IceCube. Los resultados salieron hoy en tres artículos en las revistas Science y Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

¿Puedes rebotar?

En el pasado, los científicos habían descubierto neutrinos provenientes del sol y de remanentes de supernova cercanos. Pero ninguna de estas fuentes es tan poderosa como para arrojar las partículas cósmicas más energéticas hacia la Tierra.

Dado que los neutrinos interactúan solo de manera muy débil con otros tipos de materia, el hecho de tan solo detectarlos no es para nada fácil. Hay trillones de neutrinos solares pasando a través de ti en este momento. IceCube, que ocupa un kilómetro cúbico de hielo debajo de la estación Amundsen-Scott del Polo Sur, utiliza 5160 sensores de luz diseñados para detectar pequeños destellos de luz que se producen cuando los neutrinos cósmicos que viajan velozmente hacia la Tierra interactúan con núcleos atómicos que hay en el hielo.

Desde el año 2013, varios neutrinos extremadamente energéticos (algunos nombrados graciosamente copiando los nombres de los personajes de Plaza Sésamo) se han metido dentro del hielo polar y fueron registrados por los sensores de IceCube. Pero han sido demasiado duros como para adherirse a un único objeto celeste, lo que dio a los científicos solo algunas pistas respecto de sus orígenes.

Un buen día

Luego, el 22 de septiembre de 2017, un único neutrino que viajaba casi a la velocidad de la luz voló a través de la Tierra como si fuera un relámpago y activó los detectores de IceCube. Capturó un neutrino enorme con energía de 290 TeV, casi cincuenta veces más potente que los rayos más energéticos provenientes de protones que circulan en el Gran Colisionador de Hadrones. Esto disparó una alerta notificando a los astrónomos cazadores de neutrinos que la caza había comenzado.

Cuando los científicos volvieron sobre la trayectoria del neutrino, esta los llevó a un punto en el espacio cerca de la constelación de Orión, un lugar en donde varios telescopios habían captado, de manera casi simultánea, un destello cósmico masivo.

Inserto en esa porción de cielo septentrional, un gran objeto distante llamado blazar se había despertado y comenzó a lanzar partículas energéticas al vacío. Esto incluyó un torrente de rayos gama altamente energéticos, que fueron detectados por el telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi.

“Los blazares son algunas de las fuentes astrofísicas más potentes del universo”, señala Maria Petropoulou de la Universidad de Princeton. El TXS 0506+056 es uno de los blazares más luminosos del cielo de rayos gama, algo increíble dado que este blazar se encuentra a aproximadamente cuatro mil millones de años luz, lo que lo convierte en el principal candidato para producir rayos cósmicos de muy alta energía.

"Tiene sentido, no puede ser un blazar débil”, menciona Paolo Padovani del Observatorio Europeo Austral. “Si vas a ver neutrinos, estos deben provenir de una bestia muy muy potente, sino ni los verías”, agrega.

Durante los días y semanas posteriores a los descubrimientos coincidentes de IceCube y Fermi, muchos equipos compitieron para estudiar el blazar luminoso. Más de una docena de colaboradores observaron fijamente el objeto en casi todas las ondas de luz (radio, óptica, rayos X, rayos gama) y parecía que, en efecto, un destello de rayos gama había brotado de TXS 0506+056 y produjo el neutrino detectado por IceCube en septiembre.

“Si Fermi no lo hubiera captado en el momento, este sería tan solo un neutrino más para nosotros, y para ellos, tan solo otro destello de un blazar”, dice Halzen.

Pero los equipos aún no habían terminado sus tareas.

Compruébalo tú mismo

Pronto, los científicos analizaron información que Fermi ya tenía sobre TXS 0506+056 y descubrieron que el mismo objeto había brillado previamente durante un período de cinco meses a fines del año 2014. Cuando el equipo de IceCube analizó información de casi diez años, descubrieron que más de una docena de neutrinos de alta energía habían chocado contra el hielo del polo sur durante esos meses.  

“Esto no es algo con lo que hayamos soñado alguna vez. 19 en 150 días, ¡es increíble!”, afirma Halzen.

Ahora, dos líneas de razonamiento independientes sugieren que la función del TXS 0506+056 es lanzar neutrinos a la Tierra, lo que significa que los científicos han prácticamente descubierto al menos una de las misteriosas fuentes de estas partículas.

El descubrimiento es “muy sorprendente, y es un paso en la dirección correcta para identificar el origen de los rayos cósmicos, uno de los enormes acertijos astrofísicos que aún quedan por resolver”, señala Kathryn Zurek del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

Pero ella y otros dicen que todavía hay espacio para maniobrar.

“En mi opinión, los resultados son muy sugestivos respecto de una conexión, pero no son definitivos todavía”, dice Petropoulou. “Podría ser posible, por ejemplo, que otras fuentes ubicadas en la misma región del cielo contribuyeran al destello de neutrino detectado por IceCube. De todas formas, estos resultados nos acercan un poco más a develar los orígenes de los neutrinos astrofísicos”, agrega.

Los científicos también coinciden en que los blazares no podrían generar todos los rayos cósmicos que vemos. Por ende, la cacería sigue en pie para descubrir otras fuentes que den origen a estas partículas de alta energía.

"Hay un zoológico de fuentes astrofísicas que podrían contribuir al flujo de neutrinos de IceCube”, afirma Petropoulou, “como por ejemplo las galaxias creadoras de estrellas, las supernovas interactivas, los estallidos de rayos gama de baja luminosidad, las radiogalaxias en los centros de agrupaciones galácticas, y muchas otras”, concluye.