Representación artística de cómo blazar acelera los protones que generan piones, que a su vez generan neutrinos y rayos gamma. Los neutrinos son siempre el resultado de reacciones de hadrones. Los rayos gamma pueden aparecer en las interacciones hadron y electromagnéticas.Uno de los mayores misterios de la ciencia es la definición no solo de los objetos que existen en el Universo, sino también de las fuentes de señales que fijamos aquí en la Tierra. Durante más de cien años, hemos sabido que los rayos cósmicos aran el Universo: partículas de alta energía cuyas fuentes están mucho más allá de los límites de nuestra galaxia. Y aunque algunas de las fuentes de estas partículas ya han sido identificadas, la mayoría de ellas, incluidas las más energéticas, siguen siendo un misterio.
Y así, esta situación ha cambiado. La colaboración de IceCube el 22 de septiembre de 2017 descubrió que los neutrinos de ultra alta energía llegaban al Polo Sur y pudo determinar su fuente. Cuando varios telescopios que operaban en el rango gamma apuntaban al mismo punto, no solo vieron la señal, sino que también
reconocieron el blazar que estaba parpadeando justo en ese momento . Finalmente, la humanidad ha descubierto al menos una fuente que crea estas partículas cósmicas ultra energéticas.
Cuando los agujeros negros devoran materia, crean un disco de acreción y chorros que emanan de ambos polos, perpendicularmente a él. Cuando una corriente de un agujero negro supermasivo nos señala, lo llamamos blazar, y en un caso particular fue un objeto del BL Lizard. Ahora se consideran la principal fuente de rayos cósmicos y neutrinos de alta energía.El universo, dondequiera que miremos, está lleno de cosas que se pueden observar y con las que puedes interactuar. La materia se desmorona, formando galaxias, estrellas, planetas e incluso personas. La radiación fluye a través del universo, cubriendo todo el espectro electromagnético. Y en cada centímetro cúbico de espacio puedes encontrar cientos de partículas fantasmales con una pequeña masa, conocida como neutrinos.
Por lo menos, podrían encontrarse si interactuaban con bastante frecuencia con la materia normal, con la que sabemos cómo tratar. Pero en cambio, los neutrinos pueden pasar a través de una pared de plomo de un año luz de espesor y tienen la posibilidad de chocar con cualquier partícula igual a 50/50. Unas décadas después de que se supuso su existencia en 1930, no pudimos encontrarlos.
Reactor nuclear experimental RA-6 , que muestra la radiación característica de Cherenkov causada por partículas que se mueven más rápido que la luz en el agua. Los neutrinos (o, más precisamente, los antineutrinos), cuya hipótesis fue presentada por primera vez por Pauli en 1930, se descubrieron en un reactor nuclear similar en 1956.En 1956, los descubrimos colocando detectores junto a reactores nucleares, a pocos metros de donde aparecían. En la década de 1960, construimos detectores suficientemente grandes, subterráneos, protegidos de otras partículas contaminantes, para encontrar neutrinos que aparecen en el Sol y los que se generan por la colisión de los rayos cósmicos con la atmósfera.
Luego, en 1987, solo una agradable sorpresa en forma de una explosión de supernova cerca de nosotros nos permitió detectar neutrinos que volaban desde allí. Experimentos que
funcionaron para un propósito completamente diferente , descubrieron neutrinos del
SN 1987A y marcaron el comienzo de la era de la astronomía de varios mensajeros. Hasta donde podíamos ver, los neutrinos volaron a través del Universo con energías indistinguibles de la velocidad de la luz.
Restos de una supernova de 1987a ubicada en la Gran Nube de Magallanes a 165,000 años luz de nosotros. El hecho de que el neutrino llegara unas horas antes de la primera señal nos dijo más sobre el tiempo que tarda la luz en propagarse a través de las capas de la estrella que sobre la velocidad de movimiento del neutrino, que era indistinguible de la velocidad de la luz. Aparentemente, los neutrinos, la luz y la gravedad se mueven a la misma velocidad.Durante aproximadamente 30 años, los neutrinos de esta supernova fueron los únicos neutrinos confirmados que provenían del exterior del sistema solar, sin mencionar los límites de la galaxia. Pero esto no significa que no hayamos aceptado neutrinos de otras fuentes; simplemente significaba que no podíamos compararlos de manera confiable con ninguna fuente conocida en el cielo. Aunque los neutrinos reaccionan muy débilmente con la materia, la probabilidad de una reacción aumenta con el aumento de la energía.
Y aquí entra en juego el
Observatorio IceCube .
El IceCube Observatory, el primer observatorio de neutrinos de este tipo, fue diseñado para observar estas escurridizas partículas de alta energía bajo el hielo de la Antártida.En lo profundo del hielo del Polo Sur, dentro del IceCube hay un kilómetro cúbico de materia sólida que ayuda a encontrar estos neutrinos casi sin masa. Cuando los neutrinos pasan a través de la Tierra, siempre existe la posibilidad de que reaccionen con la partícula allí. La interacción conducirá a la aparición de una lluvia de partículas, lo que debería dejar rastros inequívocos en los detectores.
Ilustración de cómo un neutrino reaccionó con una molécula de hielo emitiendo una partícula secundaria, un muón, moviéndose en hielo a una velocidad relativista y dejando un rastro de luz azulDurante los seis años de operación de IceCube, los detectores han detectado más de 80 neutrinos espaciales de alta energía con energías de más de 100 TeV: esto es más de 10 veces mayor que los valores de energía más altos alcanzados por cualquier partícula en el Gran Colisionador de Hadrones. Algunos de ellos incluso se acercaron a la escala PeV, alcanzando energías mil veces mayores que las necesarias para crear incluso las partículas fundamentales más pesadas conocidas hoy en día.
A pesar de todos estos neutrinos del espacio exterior que llegaron a la Tierra, hasta ahora no podíamos compararlos con una fuente en el cielo, cuya ubicación sabríamos con certeza. El descubrimiento de estos neutrinos es un logro sorprendente, pero no podremos entender qué proceso los genera, a menos que podamos compararlos en un objeto real y observable del Universo, por ejemplo, uno que también podamos observar en la radiación electromagnética.
Cuando un neutrino interactúa con partículas de hielo antártico puro, genera partículas secundarias que dejan un rastro de luz azul a medida que pasa a través del IceCubeLos teóricos no tuvieron problemas para proponer ideas, por ejemplo:
- hipernovas , la especie más brillante de supernovas,
- destellos de rayos gamma
- bengalas de agujero negro
- cuásares, el mayor de los agujeros negros activos del universo.
Pero para resolver este problema, se necesitaban pruebas.
Un ejemplo de un neutrino de alta energía detectado en un IceCube: un neutrino de 4.45 PeV colisionó con un detector en 2014.
IceCube rastreó y emitió informes después de cada neutrino de ultra alta energía que descubrieron. El 22 de septiembre de 2017, se observó otro fenómeno similar: IceCube-170922A. En el informe, los científicos anunciaron lo siguiente:
El 22 de septiembre de 2017, IceCube detectó un evento de muy alta energía con una alta probabilidad de tener una fuente astrofísica. Este evento fue detectado por Extremely High Energy (EHE). IceCube estaba en modo de funcionamiento normal. Los eventos EHE generalmente están asociados con un pico de interacción ubicado fuera del detector, en el que se genera un muón que cruza el volumen del detector con un alto nivel de [energía].
Los rayos cósmicos provocan lluvias atmosféricas de partículas, que chocan con protones y átomos de la atmósfera, y emiten luz debido a la radiación de Cherenkov. Al observar los rayos cósmicos en el cielo y los neutrinos que llegan a la Tierra, utilizamos coincidencias para revelar las fuentes de ambos fenómenos.Esta empresa es interesante no solo para las partículas de neutrinos, sino también para los rayos cósmicos en general. A pesar del hecho de que hemos observado millones de rayos cósmicos de alta energía en los últimos cien años, no conocemos las fuentes de la mayoría de ellos. Y esto es cierto para los protones, núcleos y neutrinos, ambos creados en su fuente y los resultantes de las lluvias atmosféricas.
Por eso fue tan interesante que, además de advertir sobre el fenómeno, IceCube también
emitió las coordenadas celestes de donde se suponía que provenían estos neutrinos:
- RA: 77.43 grados (-0.80 grados / + 1.30 grados 90% de contención de PSF) J2000
- Dic: 5.72 grados (-0.40 grados / + 0.70 grados 90% de contención de PSF) J2000
Y llevaron a los observadores que intentaban hacer observaciones posteriores en el espectro electromagnético a este objeto.
Imagen artística del núcleo activo de la galaxia. Un agujero negro supermasivo en el centro del disco de acreción envía chorros estrechos de materia de alta energía al espacio perpendicular al disco. Blazar, a 4 mil millones de años luz de nosotros, se ha convertido en la fuente de estos rayos cósmicos y neutrinos.Resultó ser un blazar: un agujero negro supermasivo en estado activo, alimentándose de materia y acelerándola a velocidades increíbles. Los Blazar son los mismos cuásares, pero con una diferencia importante. Los cuásares se pueden orientar en cualquier dirección, y en blazar uno de los chorros siempre se dirige directamente a la Tierra. Se les llama blazers por la palabra blaze, que significa "brillar, arder brillantemente": brillan directamente en nuestra dirección.
Este blazar en particular se conoce como
TXS 0506 + 056 , y muchos observatorios, incluido el Observatorio Fermi en la NASA y el telescopio terrestre MAGIC en las Islas Canarias, detectaron de inmediato rayos gamma que emanan de él.
Alrededor de 20 observatorios en la Tierra y en el espacio realizaron observaciones siguiendo los rastros de detección de neutrinos utilizando la ubicación proporcionada por el detector IceCube en septiembre pasado. Esto permitió determinar qué científicos consideran la fuente de neutrinos de alta energía y, por lo tanto, rayos cósmicos. Además de los neutrinos, se realizaron observaciones sobre todo el espectro electromagnético en los rangos gamma, de rayos X, ópticos y de radio.Además, al llegar el neutrino, resultó que el blazar está en un estado radiante correspondiente a la emisión más activa de partículas para tales objetos. Dado que la expulsión de partículas tiene sus altibajos, los investigadores de IceCube revisaron los registros de diez años de observaciones previas al brote del 22 de septiembre de 2017, en busca de cualquier evento relacionado con neutrinos
que pudiera provenir de TXS 0506 + 056 .
Inmediatamente descubrieron que los neutrinos provenían de este objeto en varios destellos, que se prolongaron durante muchos años. Al combinar la observación de neutrinos con observaciones en el rango electromagnético, pudimos concluir de manera confiable que los neutrinos de alta energía nos llegan de los blazares, y que tenemos la capacidad de detectarlos incluso desde distancias tan grandes. TXS 0506 + 056
está a 4 mil millones de años luz de nosotros.
Blazar TXS 0506 + 056 es la primera fuente confirmada de neutrinos y rayos cósmicos de alta energía. La imagen muestra la ubicación del blazar ubicado en el cielo en el hombro izquierdo de la constelación de Orión.Se puede derivar una gran cantidad de información de una sola observación de un evento con varios "mensajeros":
- Se ha demostrado que los blazars son al menos una de las fuentes de rayos cósmicos.
- Para la aparición de neutrinos, se requieren peonías en descomposición, que aparecen debido a los protones que se mueven rápidamente.
- La primera evidencia convincente de la aceleración de protones por los agujeros negros.
- TXS 0506 + 056 es una de las fuentes más brillantes del Universo.
- Los rayos gamma que lo acompañan sugieren que los neutrinos cósmicos y los rayos cósmicos, al menos de vez en cuando, pueden tener una fuente común.
Los rayos cósmicos emitidos por fuentes astrofísicas de altas energías pueden alcanzar la superficie de la Tierra. Cuando un rayo cósmico colisiona con una partícula de la atmósfera de la Tierra, genera una lluvia de partículas, que podemos detectar utilizando conjuntos de sensores terrestres. Finalmente, revelamos su fuente principal.Según Francis Halzen, jefe de investigación del observatorio de neutrinos IceCube:
Curiosamente, la opinión generalizada en la comunidad astrofísica es que los blazar difícilmente pueden considerarse fuentes de rayos cósmicos, y aquí está ... La capacidad de construir telescopios en todo el mundo y hacer descubrimientos en muchas longitudes de onda junto con un detector de neutrinos como IceCube marca un nuevo hito en lo que los científicos llaman "astronomía multi-mensajero".
La era de la astronomía de varios mensajeros ha llegado oficialmente, y ahora tenemos tres formas completamente independientes y complementarias de mirar el cielo: usando luz, neutrinos y ondas gravitacionales. Aprendimos que los blazar, que alguna vez se consideraron candidatos poco probables para generar neutrinos de alta energía y rayos cósmicos, en realidad generan ambos.
La idea del artista del quásar remoto 3C 279. Los chorros que emanan de ambos polos es un fenómeno común, pero es muy raro que dicho chorro nos apunte directamente. Cuando esto sucede, obtenemos un blazar, como ahora se confirma, una fuente de rayos cósmicos y neutrinos de alta energía que hemos observado durante muchos años.Junto con este descubrimiento, se lanza oficialmente un nuevo campo científico, la astronomía de los neutrinos de alta energía. Los neutrinos ya no son un subproducto de otras interacciones o una maravilla espacial que apenas se extiende más allá del sistema solar. Ahora podemos usarlos como una sonda fundamental del Universo y las leyes de la física misma. Uno de los principales objetivos de la construcción de IceCube era identificar las fuentes de neutrinos espaciales de alta energía. Con la confirmación del blazar TXS 0506 + 056 como fuente de estos neutrinos y rayos cósmicos, finalmente se ha logrado un sueño cósmico de muchos.