El análisis de neutrinos de IceCube establece una posible fuente galáctica de rayos cósmicos

Agrandar / Representación artística de una fuente de neutrinos cósmicos que brilla sobre el Observatorio IceCube en el Polo Sur. Debajo del hielo hay fotodetectores que captan las señales de los neutrinos.

Cubo de hielo/NSF

Desde que el físico francés Pierre Auger propuso en 1939 que los rayos cósmicos debían transportar cantidades increíbles de energía, los científicos se han preguntado qué podría estar produciendo estos poderosos grupos de protones y neutrones que llueven sobre la atmósfera terrestre. Un medio posible para identificar tales fuentes es rastrear los caminos que recorrieron los neutrinos cósmicos de alta energía en su camino a la Tierra, ya que son creados por los rayos cósmicos que chocan con la materia o la radiación, produciendo partículas que luego se descomponen en neutrinos y rayos gamma.

Los científicos del observatorio de neutrinos IceCube en el Polo Sur ahora han analizado el valor de una década de tales detecciones de neutrinos y descubrieron evidencia de que una galaxia activa llamada Messier 77 (también conocida como Galaxia Calamar) es un fuerte candidato para uno de esos emisores de neutrinos de alta energía, según a un nuevo artículo publicado en la revista Science. Lleva a los astrofísicos un paso más cerca de resolver el misterio del origen de los rayos cósmicos de alta energía.

“Esta observación marca el comienzo de poder realmente hacer astronomía de neutrinos”, dijo Janet Conrad, miembro de IceCube, del MIT, a APS Physics. “Hemos luchado durante tanto tiempo para ver fuentes potenciales de neutrinos cósmicos con una importancia muy alta y ahora hemos visto una. Hemos roto una barrera”.

Como informamos anteriormente, los neutrinos viajan cerca de la velocidad de la luz. El poema de John Updike de 1959, “Cosmic Gall”, rinde homenaje a las dos características más definitorias de los neutrinos: no tienen carga y, durante décadas, los físicos creyeron que no tenían masa (en realidad tienen un poco de masa). Los neutrinos son la partícula subatómica más abundante en el universo, pero muy rara vez interactúan con algún tipo de materia. Millones de estas diminutas partículas nos bombardean constantemente cada segundo y, sin embargo, pasan a través de nosotros sin que nos demos cuenta. Por eso Isaac Asimov las llamó “partículas fantasma”.

Cuando un neutrino interactúa con moléculas en el claro hielo antártico, produce partículas secundarias que dejan un rastro de luz azul a medida que viajan a través del detector IceCube.
Agrandar / Cuando un neutrino interactúa con moléculas en el claro hielo antártico, produce partículas secundarias que dejan un rastro de luz azul a medida que viajan a través del detector IceCube.

Nicolle R. Fuller, IceCube/NSF

Esa baja tasa de interacción hace que los neutrinos sean extremadamente difíciles de detectar, pero debido a que son tan livianos, pueden escapar sin obstáculos (y, por lo tanto, en gran medida sin cambios) por colisiones con otras partículas de materia. Esto significa que pueden proporcionar pistas valiosas a los astrónomos sobre sistemas distantes, además de lo que se puede aprender con telescopios en todo el espectro electromagnético, así como ondas gravitacionales. Juntas, estas diferentes fuentes de información han sido denominadas astronomía “multimensajero”.

La mayoría de los cazadores de neutrinos entierran sus experimentos bajo tierra, lo mejor para cancelar la interferencia ruidosa de otras fuentes. En el caso de IceCube, la colaboración presenta conjuntos de sensores ópticos del tamaño de una pelota de baloncesto enterrados en las profundidades del hielo antártico. En las raras ocasiones en que un neutrino que pasa interactúa con el núcleo de un átomo en el hielo, la colisión produce partículas cargadas que emiten fotones UV y azules. Esos son recogidos por los sensores.

Por lo tanto, IceCube está bien posicionado para ayudar a los científicos a avanzar en su conocimiento del origen de los rayos cósmicos de alta energía. Como explicó convincentemente Natalie Wolchover en Quanta en 2021:

Un rayo cósmico es solo un núcleo atómico: un protón o un grupo de protones y neutrones. Sin embargo, los raros conocidos como rayos cósmicos de “ultra alta energía” tienen tanta energía como las pelotas de tenis servidas profesionalmente. Son millones de veces más energéticos que los protones que se precipitan por el túnel circular del Gran Colisionador de Hadrones en Europa al 99,9999991 % de la velocidad de la luz. De hecho, el rayo cósmico más energético jamás detectado, apodado la “partícula Oh-My-God”, golpeó el cielo en 1991 yendo algo así como 99.999999999999999999999951 por ciento de la velocidad de la luz, dándole aproximadamente la energía de una bola de boliche que se deja caer del hombro. altura sobre un dedo del pie.

Pero, ¿dónde se originan esos rayos cósmicos tan poderosos? Una gran posibilidad son los núcleos galácticos activos (AGN), que se encuentran en el centro de algunas galaxias. Su energía surge de los agujeros negros supermasivos en el centro de la galaxia y/o del giro del agujero negro.

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