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Por Florencia Laura Vieyro*

A pesar de que la existencia de los rayos cósmicos se conoce desde hace más de 100 años, luego de que Victor F. Hess los descubriera en 1912 utilizando globos sonda, su origen permaneció siendo un misterio hasta la actualidad.

Los rayos cósmicos son partículas cargadas eléctricamente, como por ejemplo el protón, que se mueven a velocidades relativistas. Dado que los rayos cósmicos poseen carga, son desviados por los campos magnéticos del medio en donde se propagan, por lo que su trayectoria no puede ser rastreada hasta su fuente de origen. Sin embargo, se espera que las fuentes capaces de acelerar rayos cósmicos den lugar también a la producción de neutrinos.

Los neutrinos son partículas subatómicas, sin carga eléctrica y con una masa extremadamente pequeña (no se sabe exactamente su valor, pero se estima que es menor que una millonésima parte de la masa del electrón). Los neutrinos prácticamente no interactúan con la materia y, al ser partículas neutras, tampoco son deflectados por campos magnéticos.

Por un lado, esto permite a los neutrinos viajar hasta la Tierra sin ser afectados ni desviados de su dirección original. Por otro lado, al no interactuar fácilmente con la materia, es muy difícil detectarlos. Hasta la fecha solo se había identificado el origen de dos fuentes de neutrinos, el Sol y la supernova 1987A que tuvo lugar en la galaxia vecina, la Nube Mayor de Magallanes. El origen de los neutrinos más energéticos, por otro lado, no había logrado identificarse.

 

IceCube, observatorio de neutrinos

Esquema de la estructura del detector IceCube. (IceCube/NSF)

IceCube es un detector de partículas ubicado en el Polo Sur, cerca de la estación Amundsen-Scott. Está enterrado en el hielo antártico, y se extiende hasta una profundidad de 2.500 metros. IceCube tiene un volumen de 1 km3, lo que lo convierte en el detector de neutrinos más grande en operación. Su gran volumen aumenta la probabilidad de interacción de un neutrino con la materia y, en consecuencia, permite su detección.

Los neutrinos no son detectados de manera directa, sino que se detectan las partículas que se generan cuando un neutrino interactúa con el hielo. Esta interacción da lugar a la creación de partículas secundarias que viajan en el hielo a una velocidad mayor a la de la luz en ese medio [1], produciendo una luz que se conoce como Cherenkov. Esta luz es captada por los sensores del detector, y posteriormente digitalizada; con esta información se reconstruyen la dirección y energía del neutrino.

La mayor parte de los neutrinos detectados por IceCube se deben a la interacción de rayos cósmicos en la atmósfera. Para poder distinguir los neutrinos de origen astrofísico, se seleccionan aquéllos que disparan el detector desde abajo hacia arriba, es decir, los neutrinos que ingresan a la Tierra desde el cielo del norte. El observatorio comenzó a operar parcialmente en 2008, y desde 2011 opera en su capacidad completa.

IceCube detectó en 7 años más de 100 neutrinos astrofísicos muy energéticos, de los cuales aún no se había identificado la fuente de origen.

Evento IceCube-170922A

Observatorio IceCube registrando el evento 170922A. Los sensores detectan la luz Cherenkov emitida por las partículas que se generaron en la interacción del neutrino con el hielo. (IceCube/NSF)

El 22 de septiembre de 2017 el Observatorio de Neutrinos IceCube detectó un neutrino muy energético, que se denominó IceCube-170922A. Luego de la alerta enviada por la colaboración del detector ese mismo día, numerosos observatorios comenzaron a monitorear la región del cielo donde se originó ese evento.

El 28 de septiembre, la colaboración del observatorio espacial de rayos gamma Fermi reportó que el origen del evento de neutrinos coincidía con la posición de una fuente de rayos gamma que estaba en estado de fulguración.

Unos días más tarde, el 4 de octubre, el observatorio terrestre MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes), confirmó la detección de esta fuente a muy alta energía. MAGIC está ubicado a 2.200 metros de altura en La Palma, España. Sus dos telescopios, de 17 metros de diámetro cada uno, pueden apuntar hacia cualquier objeto del cielo en menos de 22 segundos. Este instrumento utiliza técnicas Cherenkov para detectar rayos gamma de muy alta energía que producen cascadas de partículas secundarias cuando interactúan con la atmósfera terrestre.

A su vez, diversos observatorios rastrearon la evolución de la fuente en distintas longitudes de ondas: fue detectada en radio, óptico, rayos X, además de las detecciones en gamma ya mencionadas.

La fuente astrofísica asociada al evento es el blazar TXS 0506+056, una fuente de rayos gamma ya observada con anterioridad por Fermi, ubicada debajo del brazo de la constelación de Orión (2).

Los blazares son una subclase de los Núcleos Galácticos Activos, conocidos como AGN por sus siglas en inglés (Active Galactic Nuclei). Los AGN son alimentados por la acreción de materia sobre un agujero negro supermasivo; este mecanismo es el más eficiente que se conoce para sustentar fenómenos energéticos. Parte de la materia acretada es lanzada en forma de chorros o jets relativistas. Dentro de los AGN que presentan jets, los blazares son aquellos en donde uno de los jets apunta hacia la Tierra, por lo que la luminosidad y energía se ven aumentadas por efecto Doppler.

Los jets de los AGN se observan principalmente en radio. Esta emisión es producto de la interacción de electrones relativistas con el campo magnético. Los jets de blazares son, a su vez, fuentes de rayos gamma: de los 1.591 AGN detectados por Fermi, el 98 % son blazares.

Agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia activa. Los chorros de partículas relativistas en un blazar apuntan hacia la Tierra. (DESY, Science Communication Lab)

La composición de los jets relativistas continúa siendo un enigma hoy en día. Existen algunos indicios de que protones podrían ser acelerados hasta velocidades relativistas en jets de sistemas galácticos, pero hasta ahora no había pruebas en el caso de jets de AGN.

La información recolectada por el observatorio de rayos cósmicos Pierre Auger, ubicado en la ciudad de Malargüe, Mendoza, muestra evidencia de un origen extragaláctico para los rayos cósmicos ultraenergéticos (1).  Dentro de las posibles fuentes, los AGN son uno de los candidatos más fuertes.

El punto azul, debajo del brazo de la constelación de Orión, indica la posición en el cielo de la galaxia TXS 0506+056. (Silvia Bravo Gallart/Project_WIPAC_Communications)

Astronomía multimensajera

Desde la Antigüedad el ser humano usa sus ojos para observar y estudiar los astros. En 1610, Galileo Galilei comenzó a utilizar un telescopio para observar el cielo, descubriendo, entre otras cosas, las fases de Venus y cuatro lunas de Júpiter. El siglo XX fue testigo de un desarrollo tecnológico sin precedentes, en el cual la astronomía se extendió más allá de la luz visible, con instrumentos capaces de observar en otros rangos del espectro electromagnético. En los casi 20 años que transcurrieron de este siglo, las señales no electromagnéticas están aportando una nueva ventana de exploración.

El año pasado, el detector de ondas gravitacionales LIGO, junto con una amplia red de observatorios alrededor del mundo, anunciaron la detección conjunta de las ondas gravitacionales y la emisión electromagnética producidas por la colisión de dos estrellas de neutrones (3). Esta detección marcó un hito en la historia de la astronomía.

El evento detectado por IceCube y la identificación de su fuente de origen aportan nuevos datos para comenzar a dilucidar algunos de los interrogantes abiertos: los jets de AGN pueden acelerar rayos cósmicos hasta energías ultrarelativistas; los rayos cósmicos ultraenergéticos detectados por el observatorio Pierre Auger son de origen extragaláctico, siendo los AGN algunas de las fuentes que los producen (puede haber otras fuentes aún no confirmadas).

Por otro lado, este descubrimiento sirve para poder testear los principios fundamentales de la física. Tal es el caso de uno de los postulados de la Teoría de la Relatividad Especial de Albert Einstein, conocido como Simetría de Lorentz. Básicamente, esta simetría implica que las leyes de la física son las mismas para todos los observadores que se mueven a velocidad constante. Estudios sobre los neutrinos detectados por IceCube muestran evidencias de que no hay violación de esta simetría (4). Una vez más, resulta que Einstein estaba en lo cierto.

En los últimos años se ha demostrado que es fundamental el estudio multidisciplinario de las fuentes astrofísicas. Cada señal, sea electromagnética o no electromagnética (rayos cósmicos, ondas gravitacionales y neutrinos), proporciona nueva información y herramientas para tener una idea más completa de cómo funciona el universo.

Referencias

  1. The Pierre Auger Collaboration, Science 357, 2017.
  2. The IceCube, Fermi-LAT, MAGIC, AGILE, ASAS-SN, HAWC, H.E.S.S, INTEGRAL, Kanata, Kiso, Kapteyn, Liverpool telescope, Subaru, Swift/NuSTAR, VERITAS, and VLA/17B-403 teams. Science 361, 2018.
  3. P. Abbott et al.(LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Phys. Rev. Lett. 119, 161101, 2017.
  4. The IceCube Collaboratino, Nature Physics, 1745-2481, 2018.

[1] La Teoría de la Relatividad postula que ninguna partícula masiva viajar a una velocidad mayor a la velocidad de la luz en el vacío, cuyo valor es aproximadamente c=299.792 km/s. Sin embargo, la velocidad de la luz propagándose en un medio es menor, y partículas muy energéticas pueden viajar a mayor velocidad que la luz en ese medio.

 

*Florencia Laura Vieyro es doctora en Astronomía por la Universidad Nacional de La Plata y cursó un posdoctorado en el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona, España. Especialista en astrofísica relativista, actualmente se desempeña como investigadora del CONICET en el Instituto Argentino de Radioastronomía.

 

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