Un equipo internacional de científicos ha encontrado la primera evidencia de una fuente de neutrinos cósmicos de alta energía, partículas subatómicas fantasmales que viajan a la Tierra sin obstáculos durante miles de millones de años luz desde los ambientes más extremos en el universo.

Las observaciones, realizadas inicialmente por el 'IceCube Neutrino Observatory' en la estación Amundsen-Scott en el Polo Sur y confirmadas por telescopios terrestres y espaciales de todo el mundo, ayudan a resolver un enigma centenario sobre qué envía partículas subatómicas como neutrinos y protones a toda velocidad a través del universo. El esfuerzo coordinado se basó en un sistema de alerta.

Dos artículos que se publican este viernes en 'Science' proporcionan evidencia de que las partículas energéticas pueden originarse en chorros que salen de agujeros negros supermasivos: objetos astrofísicos llamados blazars debido a la luz brillante que emiten hacia la Tierra. Un blazar, designado por los astrónomos como TXS 0506 + 056, fue señalado como una posible fuente después de una alerta automática enviada por IceCube el 22 de septiembre de 2017 en todo el mundo.

Equipado con un sistema de alerta casi en tiempo real --desencadenado por un solo neutrino de muy alta energía que choca con un núcleo atómico en el hielo antártico en o cerca de los detectores de IceCube--, el experimento IceCube transmitió las coordenadas de dónde probablemente llegó el neutrino del 22 de septiembre.

Dos observatorios de rayos gamma, el Telescopio Espacial Fermi de rayos gamma de la NASA y el Telescopio Cherenkov de Imágenes Atmosféricas Gamma, o MAGIC, en las Islas Canarias, detectaron un destello de rayos gamma de alta energía que también parecían provenir de TXS 0506 + 056, una convergencia de observaciones que convincentemente implicaron al blazar como la fuente más probable.

"Este resultado realmente resalta la importancia de adoptar un enfoque de múltiples respuestas a estas búsquedas", explica el investigador Erik Blaufuss, del Departamento de Física de la Universidad de Maryland (UMD), en Estados Unidos, quien dirigió los esfuerzos en los últimos años para crear e implementar el sistema de alerta de eventos de alta energía de IceCube."Cualquier observación hecha por sí sola probablemente no nos hubiera permitido reconstruir lo que realmente sucede dentro de esta fuente", añade.

Fermi fue el primer telescopio que identificó una actividad de rayos gamma mejorada de TXS 0506 + 056 dentro de los 0,06 grados de la dirección del neutrino de IceCube. En una década de observaciones de Fermi de esta fuente, esta fue la llamarada más fuerte en los rayos gamma, los fotones de mayor energía. Un seguimiento posterior de MAGIC detectó rayos gamma de energías aún más altas, y las observaciones de otros instrumentos, incluidos los telescopios ópticos, de radio y de rayos X, reforzaron el caso de TXS 0506 + 056 como fuente del neutrino del 22 de septiembre.

COMBINACIÓN DE DIFERENTES MENSAJEROS CÓSMICOS

El resultado demuestra la ventaja de combinar las señales de diferentes mensajeros cósmicos, como neutrinos y fotones. "La era de la astrofísica multi-mensajera está aquí --dice el director de la Fundación Nacional de Ciencias, France Córdova--. Cada mensajero, desde la radiación electromagnética, las ondas gravitacionales y ahora los neutrinos, nos proporciona una comprensión más completa del universo y nuevos conocimientos importantes sobre los objetos y eventos más poderosos del cielo. Estos avances sólo son posibles a través de un largo compromiso a largo plazo con la investigación fundamental y la inversión en excelentes instalaciones de investigación".

Desde que se detectaron por primera vez hace más de cien años, los rayos cósmicos, partículas altamente energéticas que continuamente caen desde el espacio en la Tierra, han planteado preguntas permanentes: ¿qué crea y lanza estas partículas a través de distancias tan grandes? o ¿de dónde vienen?

Debido a que los rayos cósmicos son partículas cargadas, sus caminos están curvados por los campos magnéticos que llenan el espacio; pero los poderosos aceleradores cósmicos que los generan también producen neutrinos, que no están cargados y, por lo tanto, no se ven afectados ni siquiera por los campos magnéticos más potentes. Debido a que rara vez interactúan con la materia y casi no tienen masa, los neutrinos viajan casi sin interrupción desde su creación, dando a los científicos un puntero casi directo a su fuente.

La detección de los neutrinos de mayor energía requiere un detector de partículas masivo, e IceCube es en volumen el más grande del mundo. El detector, que abarca un kilómetro cúbico de hielo prístino y profundo a una milla por debajo de la superficie en el Polo Sur, está compuesto por más de 5.000 sensores de luz dispuestos en una cuadrícula.

Cuando un neutrino interactúa con el núcleo de un átomo, crea una partícula secundaria cargada, que, a su vez, produce un cono característico de luz azul que IceCube detecta y mapea a través de la red de cámaras sensibles del detector. Debido a que una partícula cargada y la luz que emite permanecen esencialmente fieles a la dirección del neutrino, dan a los científicos un camino para seguir de regreso a la fuente.

Las partículas de particular interés para el equipo de IceCube aportan un impulso más enérgico. El neutrino que alertó a los telescopios de todo el mundo tenía una energía de aproximadamente 300 TeV. (La energía de los protones que circulan en el anillo de 26,7 kilómetros del Gran Colisionador de Hadrones es 6,5 TeV).

Tras la detección del 22 de septiembre, el equipo IceCube rastreó rápidamente los datos de archivo del detector y descubrió una llamarada de más de una docena de neutrinos astrofísicos detectados a finales de 2014 y principios de 2015, coincidiendo con el mismo blazar, TXS 0506 + 056. Esta observación independiente fortalece en gran medida la detección inicial de un solo neutrino de alta energía y se suma a un creciente conjunto de datos que indican que TXS 0506 + 056 es el primer acelerador conocido de los neutrinos de energía más alta y los rayos cósmicos.