Un nuevo mapa del universo, pintado con neutrinos cósmicos | Revista Cuanta

De los 100 billones de neutrinos que te atraviesan cada segundo, la mayoría proviene del sol o de la atmósfera terrestre. Pero una parte de las partículas, aquellas que se mueven mucho más rápido que el resto, viajaron aquí desde fuentes poderosas más lejanas. Durante décadas, los astrofísicos han buscado el origen de estos neutrinos “cósmicos”. Ahora, el Observatorio de Neutrinos IceCube finalmente ha recolectado suficientes para revelar patrones reveladores de dónde provienen.

En un trabajo publicado hoy en Ciencia:, el equipo reveló el primer mapa de la Vía Láctea en neutrinos. (Por lo general, nuestra galaxia se mapea con fotones, partículas de luz). El nuevo mapa muestra una neblina difusa de neutrinos cósmicos que emanan de toda la Vía Láctea, pero extrañamente, no se destacan fuentes individuales. "Es un misterio", dijo Francisco Halzen, quien dirige IceCube.

Los resultados siguen un Estudio de IceCube del otoño pasado, También en Ciencia:, que fue el primero en conectar neutrinos cósmicos a una fuente individual. Mostró que una gran parte de los neutrinos cósmicos detectados hasta ahora por el observatorio provienen del corazón de una galaxia "activa" llamada NGC 1068. En el núcleo brillante de la galaxia, la materia gira en espiral hacia un agujero negro central supermasivo, de alguna manera formando neutrinos cósmicos. en el proceso.

“Es realmente gratificante”, dijo Kate Scholberg, un físico de neutrinos de la Universidad de Duke que no participó en la investigación. De hecho, han identificado una galaxia. Este es el tipo de cosas que toda la comunidad de astronomía de neutrinos ha estado tratando de hacer desde siempre”.

Identificar las fuentes de neutrinos cósmicos abre la posibilidad de utilizar las partículas como una nueva prueba de la física fundamental. Los investigadores han demostrado que los neutrinos pueden usarse para abrir grietas en el modelo estándar vigente de física de partículas e incluso probar descripciones cuánticas de la gravedad.

Sin embargo, identificar el origen de al menos algunos neutrinos cósmicos es solo un primer paso. Poco se sabe sobre cómo la actividad alrededor de algunos agujeros negros supermasivos genera estas partículas, y hasta ahora la evidencia apunta a múltiples procesos o circunstancias.

Origen largamente buscado

Por abundantes que sean, los neutrinos suelen atravesar la Tierra sin dejar rastro; se tuvo que construir un detector magníficamente enorme para detectar suficientes de ellos para percibir patrones en las direcciones de las que llegan. IceCube, construido hace 12 años, consta de cadenas de detectores de un kilómetro de largo perforados profundamente en el hielo antártico. Cada año, IceCube detecta una docena de neutrinos cósmicos con una energía tan alta que se destacan claramente contra una neblina de neutrinos atmosféricos y solares. Análisis más sofisticados pueden extraer neutrinos cósmicos candidatos adicionales del resto de los datos.

Los astrofísicos saben que tales neutrinos energéticos solo podrían surgir cuando los núcleos atómicos de rápido movimiento, conocidos como rayos cósmicos, chocan con material en algún lugar del espacio. Y muy pocos lugares en el universo tienen campos magnéticos lo suficientemente fuertes como para impulsar los rayos cósmicos a energías suficientes. Los estallidos de rayos gamma, destellos de luz ultrabrillantes que ocurren cuando algunas estrellas se convierten en supernovas o cuando las estrellas de neutrones giran en espiral entre sí, se pensó durante mucho tiempo como una de las opciones más plausibles. La única alternativa real eran los núcleos galácticos activos, o AGN, galaxias cuyos agujeros negros supermasivos centrales arrojan partículas y radiación a medida que cae la materia.

La teoría de los estallidos de rayos gamma perdió terreno en 2012, cuando los astrofísicos se dieron cuenta de que si estos estallidos brillantes fueran los responsables, esperaríamos ver muchos más neutrinos cósmicos que nosotros. Aún así, la disputa estaba lejos de resolverse.

Luego, en 2016, IceCube comenzó a enviar alertas cada vez que detectaba un neutrino cósmico, lo que llevó a otros astrónomos a orientar sus telescopios en la dirección de donde provenía. El siguiente septiembre, tentativamente emparejó un neutrino cósmico con una galaxia activa llamada TXS 0506+056, o TXS para abreviar, que emitía destellos de rayos X y rayos gamma al mismo tiempo. “Eso ciertamente despertó mucho interés”, dijo marcos santander, colaborador de IceCube en la Universidad de Alabama.

Se recolectaron más y más neutrinos cósmicos, y otra porción de cielo comenzó a destacarse sobre el fondo de los neutrinos atmosféricos. En el medio de este parche se encuentra la cercana galaxia activa NGC 1068. El análisis reciente de IceCube muestra que esta correlación casi con seguridad equivale a causalidad. Como parte del análisis, los científicos de IceCube recalibraron su telescopio y utilizaron inteligencia artificial para comprender mejor su sensibilidad a diferentes partes del cielo. Descubrieron que hay menos de 1 en 100,000 posibilidades de que la abundancia de neutrinos provenientes de la dirección de NGC 1068 sea una fluctuación aleatoria.

La certeza estadística de que TXS es ​​una fuente de neutrinos cósmicos no se queda atrás, y en septiembre, IceCube registró un neutrino probablemente en las cercanías de TXS que aún no ha sido analizado.

“Estábamos parcialmente ciegos; es como si hubiéramos encendido el foco”, dijo Halzen. “La carrera fue entre los estallidos de rayos gamma y las galaxias activas. Esa carrera ha sido decidida”.

El mecanismo físico

Estos dos AGN parecen ser las fuentes de neutrinos más brillantes del cielo, pero, sorprendentemente, son muy diferentes. TXS es ​​un tipo de AGN conocido como blazar: dispara un chorro de radiación de alta energía directamente hacia la Tierra. Sin embargo, no vemos ningún chorro de este tipo apuntando hacia nosotros desde NGC 1068. Esto sugiere que diferentes mecanismos en el corazón de las galaxias activas podrían dar lugar a neutrinos cósmicos. “Las fuentes parecen ser más diversas”, dijo julia tjus, astrofísico teórico de la Ruhr University Bochum en Alemania y miembro de IceCube.

Halzen sospecha que hay algún material alrededor del núcleo activo en NGC 1068 que bloquea la emisión de rayos gamma a medida que se producen los neutrinos. Pero el mecanismo preciso es una incógnita. “Sabemos muy poco sobre los núcleos de las galaxias activas porque son demasiado complicados”, dijo.

Los neutrinos cósmicos que se originan en la Vía Láctea confunden aún más las cosas. No hay fuentes obvias de tales partículas de alta energía en nuestra galaxia, en particular, ningún núcleo galáctico activo. El núcleo de nuestra galaxia no ha tenido actividad durante millones de años.

Halzen especula que estos neutrinos provienen de los rayos cósmicos producidos en una fase activa anterior de nuestra galaxia. “Siempre olvidamos que estamos mirando un momento en el tiempo”, dijo. "Los aceleradores que hicieron estos rayos cósmicos pueden haberlos hecho hace millones de años".

Lo que destaca en la nueva imagen del cielo es el intenso brillo de fuentes como NGC 1068 y TXS. La Vía Láctea, llena de estrellas cercanas y gas caliente, eclipsa a todas las demás galaxias cuando los astrónomos observan con fotones. Pero cuando se ve en neutrinos, "lo sorprendente es que apenas podemos ver nuestra galaxia", dijo Halzen. “El cielo está dominado por fuentes extragalácticas”.

Dejando a un lado el misterio de la Vía Láctea, los astrofísicos quieren utilizar las fuentes más lejanas y brillantes para estudiar la materia oscura, la gravedad cuántica y las nuevas teorías del comportamiento de los neutrinos.

Sondeo de física fundamental

Los neutrinos ofrecen pistas raras de que una teoría más completa de las partículas debe reemplazar el conjunto de ecuaciones de 50 años conocido como el Modelo Estándar. Este modelo describe partículas y fuerzas elementales con una precisión casi perfecta, pero se equivoca cuando se trata de neutrinos: predice que las partículas neutras no tienen masa, pero no lo son, no del todo.

Los físicos descubrieron en 1998 que los neutrinos pueden cambiar de forma entre sus tres tipos diferentes; un neutrino electrónico emitido por el sol puede convertirse en un neutrino muón cuando llegue a la Tierra, por ejemplo. Y para cambiar de forma, los neutrinos deben tener masa: las oscilaciones solo tienen sentido si cada especie de neutrino es una mezcla cuántica de tres masas diferentes (todas muy pequeñas).

Docenas de experimentos han permitido a los físicos de partículas construir gradualmente una imagen de los patrones de oscilación de varios neutrinos: solares, atmosféricos, de laboratorio. Pero los neutrinos cósmicos que se originan en los AGN ofrecen una mirada al comportamiento oscilatorio de las partículas a través de distancias y energías mucho mayores. Esto los convierte en "una sonda muy sensible a la física que está más allá del modelo estándar", dijo carlos arguelles–Delgado, un físico de neutrinos de la Universidad de Harvard que también forma parte de la extensa colaboración IceCube.

Las fuentes de neutrinos cósmicos están tan lejos que las oscilaciones de neutrinos deberían quedar borrosas: dondequiera que miren los astrofísicos, esperan ver una fracción constante de cada uno de los tres tipos de neutrinos. Cualquier fluctuación en estas fracciones indicaría que los modelos de oscilación de neutrinos deben repensarse.

Otra posibilidad es que los neutrinos cósmicos interactúen con la materia oscura mientras viajan, como predijeron muchos modelos del sector oscuro. Estos modelos proponen que la materia invisible del universo consiste en múltiples tipos de partículas no luminosas. Las interacciones con estas partículas de materia oscura dispersarían neutrinos con energías específicas y crear una brecha en el espectro de neutrinos cósmicos que vemos.

O la estructura cuántica del propio espacio-tiempo puede arrastrar a los neutrinos, ralentizándolos. Un grupo con sede en Italia recientemente argumentado en Naturaleza Astronomía que los datos de IceCube muestran indicios de que esto sucede, pero otros físicos se han mostrado escépticos de estos reclamos.

Efectos como estos serían diminutos, pero las distancias intergalácticas podrían aumentarlos hasta niveles detectables. “Eso es definitivamente algo que vale la pena explorar”, dijo Scholberg.

Ya, Argüelles–Delgado y sus colaboradores han utilizado el fondo difuso de los neutrinos cósmicos, en lugar de fuentes específicas como NGC 1068, para buscar evidencia de la estructura cuántica del espacio-tiempo. Como ellos reportado en Física de la naturaleza en octubre, no encontraron nada, pero su búsqueda se vio obstaculizada por la dificultad de distinguir la tercera variedad de neutrino, tau, de un neutrino electrónico en el detector IceCube. Lo que se necesita es "una mejor identificación de partículas", dijo el coautor Tepei Katori del King's College de Londres. Se están realizando investigaciones para separar los dos tipos.

Katori dice que conocer las ubicaciones y los mecanismos específicos de las fuentes de neutrinos cósmicos ofrecería un "gran salto" en la sensibilidad de estas búsquedas de nueva física. La fracción exacta de cada tipo de neutrino depende del modelo fuente, y los modelos más populares, por casualidad, predicen que cantidades iguales de las tres especies de neutrinos llegarán a la Tierra. Pero los neutrinos cósmicos todavía son tan poco conocidos que cualquier desequilibrio observado en las fracciones de los tres tipos podría malinterpretarse. El resultado podría ser una consecuencia de la gravedad cuántica, la materia oscura o un modelo de oscilación de neutrinos roto, o simplemente la física todavía borrosa de la producción de neutrinos cósmicos. (Sin embargo, algunas proporciones serían una firma de "pistola humeante" de la nueva física, dijo Argüelles–Delgado.)

En última instancia, necesitamos detectar muchos más neutrinos cósmicos, dijo Katori. Y parece que lo haremos. IceCube se actualizará y ampliará a 10 kilómetros cúbicos en los próximos años, y en octubre, un detector de neutrinos bajo el lago Baikal en Siberia. publicó su primera observación de neutrinos cósmicos de TXS.

Y en lo profundo del Mediterráneo, decenas de cadenas de detectores de neutrinos denominadas colectivamente KM3NeT están siendo fijados en el lecho marino por un robot sumergible para ofrecer una vista complementaria del cielo cósmico de neutrinos. “Las presiones son enormes; el mar es muy implacable”, dijo Paschal Coyle, director de investigación en el Centro de Física de Partículas de Marsella y portavoz del experimento. Pero “necesitamos más telescopios que escudriñen el cielo y más observaciones compartidas, lo cual está llegando ahora”.