Descubrimiento de fábricas de neutrinos extragalácticos


Altamente energéticos y difíciles de detectar, los neutrinos viajan miles de millones de años luz antes de llegar a nuestro planeta. Aunque se sabe que estas partículas elementales provienen de las profundidades de nuestro universo, aún se desconoce su origen preciso. Un equipo de investigación internacional, dirigido por la Universidad de Würzburg y la Universidad de Ginebra (UNIGE), está arrojando luz sobre un aspecto de este misterio: se cree que los neutrinos nacen en blazars, núcleos galácticos alimentados por agujeros negros supermasivos. Estos resultados se publican en la revista The Astrophysical Journal Letters.

La atmósfera de la Tierra está continuamente bombardeada por rayos cósmicos. Estos consisten en partículas cargadas eléctricamente de energías de hasta 1020 electronvoltios. Eso es un millón de veces más que la energía alcanzada en el acelerador de partículas más poderoso del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones cerca de Ginebra. Las partículas extremadamente energéticas provienen del espacio exterior profundo, han viajado miles de millones de años luz. ¿Dónde se originan, qué los dispara a través del universo con una fuerza tan tremenda? Estas preguntas se encuentran entre los mayores desafíos de la astrofísica durante más de un siglo.

Una ilustración artística de un blazar acelerando rayos cósmicos, neutrinos y fotones hasta altas energías, como se observa en los blazares de PeVatron. Crédito: Benjamin enmendar

Los lugares de nacimiento de los rayos cósmicos producen neutrinos. Los neutrinos son partículas neutras difíciles de detectar. Casi no tienen masa y apenas interactúan con la materia. Corren por el universo y pueden viajar a través de galaxias, planetas y el cuerpo humano casi sin dejar rastro. «Los neutrinos astrofísicos se producen exclusivamente en procesos que involucran la aceleración de rayos cósmicos», explica la profesora de astrofísica Sara Buson de la Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg en Bavaria, Alemania. Esto es precisamente lo que hace que estos neutrinos sean mensajeros únicos que allanan el camino para identificar fuentes de rayos cósmicos.

Un paso adelante en un polémico debate

A pesar de la gran cantidad de datos que han recopilado los astrofísicos, la asociación de neutrinos de alta energía con las fuentes astrofísicas que los originan ha sido un problema sin resolver durante años. Sara Buson siempre lo ha considerado un gran desafío. Fue en 2017 cuando el investigador y sus colaboradores trajeron por primera vez un blazar (TXS 0506+056) a la discusión como fuente putativa de neutrinos en la revista Science. Los blazars son núcleos galácticos activos alimentados por agujeros negros supermasivos que emiten mucha más radiación que toda su galaxia. La publicación desató un debate científico sobre si realmente existe una conexión entre los blazares y los neutrinos de alta energía.

Tras este primer paso alentador, en junio de 2021 el grupo del Prof. Buson inició un ambicioso proyecto de investigación multimensajero con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación. Esto implica analizar varias señales («mensajeros», por ejemplo, neutrinos) del universo. El objetivo principal es arrojar luz sobre el origen de los neutrinos astrofísicos, posiblemente estableciendo blazars como la primera fuente de neutrinos extragalácticos de alta energía con alta certeza.

El proyecto muestra ahora su primer éxito: en la revista Astrophysical Journal Letters, Sara Buson, junto con su grupo, el ex postdoctorado Raniere de Menezes (JMU) y Andrea Tramacere de la Universidad de Ginebra, informa que los blazares se pueden asociar con confianza. con neutrinos astrofísicos con un grado de certeza sin precedentes.

Revelando el papel de los blazars

Andrea Tramacere es uno de los expertos en el modelado numérico de procesos de aceleración y mecanismos de radiación que actúan en chorros relativistas, flujos de salida de materia acelerada, acercándose a la velocidad de la luz, en particular chorros blazar. «¡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! El descubrimiento de la conexión entre estos objetos y el cósmico los rayos pueden ser la ‘piedra de Rosetta’ de la astrofísica de alta energía».

Para llegar a estos resultados, el equipo de investigación utilizó datos de neutrinos del Observatorio de Neutrinos IceCube en la Antártida, el detector de neutrinos más sensible actualmente en funcionamiento, y BZCat, uno de los catálogos de blazares más precisos. «Con estos datos, teníamos que demostrar que los blazares cuyas posiciones direccionales coincidían con las de los neutrinos no estaban allí por casualidad». Para ello, el investigador de la UNIGE desarrolló un software capaz de estimar cuánto se parecen las distribuciones de esos objetos en el cielo. «Después de lanzar 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».

A pesar de este éxito, el equipo de investigación cree que esta primera muestra de objetos es solo la «punta del iceberg». Este trabajo les ha permitido recopilar «nueva evidencia observacional», que es el ingrediente más importante para construir modelos más realistas de aceleradores astrofísicos. «Lo que debemos hacer ahora es comprender cuál es la principal diferencia entre los objetos que emiten neutrinos y los que no. Esto nos ayudará a comprender hasta qué punto el entorno y el acelerador ‘hablan’ entre sí. Lo haremos luego poder descartar algunos modelos, mejorar el poder predictivo de otros y, finalmente, agregar más piezas al eterno rompecabezas de la aceleración de los rayos cósmicos”.

Con información de Phys.org

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