Los misterios de los rayos cósmicos se resuelven bajo el hielo de la Antártida

Entre los incontables enigmas del universo están los neutrinos, unas partículas 'fantasma' muy difíciles de detectar y sin carga eléctrica, que pueden revelarnos información muy útil sobre fenómenos del universo en los que la luz queda atrapada, como los agujeros negros.

Según publica hoy la revista 'Science', un equipo internacional de más de 400 científicos ha encontrado por primera vez evidencias de emisiones de neutrinos de alta energía que provienen de la galaxia cercana NGC1068 –también conocida como Messier 77– una de las más conocidas y mejor estudiadas hasta la fecha. La detección se ha realizado en el Observatorio de Neutrinos IceCube, una red de miles de sensores ubicada a más de un kilómetro de profundidad bajo el hielo de la Antártida.

"La detección valida el campo de la astronomía de neutrinos. La galaxia NGC1068 es la primera fuente puntual de neutrinos 'constante' que se observa. Pone de manifiesto que existen fuentes de neutrinos –cosa que ya sabíamos­– y que se pueden detectar –cosa que sospechábamos, pero no sabíamos a ciencia cierta. En resumen, supone el inicio de una nueva manera de ver el Universo usando los neutrinos como mensajeros cósmicos", explica a SINC Juan A. Aguilar, coordinador de análisis de IceCube y profesor de la Universidad Libre de Bruselas.

Estudiar galaxias a kilómetros bajo el Polo Sur

Observada por primera vez en 1780, la galaxia cercana Messier 77 está ubicada en la constelación de Cetus, a 47 millones de años luz de nosotros, y se puede observar con unos prismáticos potentes. Para contextualizar, el Sol se encuentra a 8,3 minutos luz de nosotros, la Estrella Polar a 320 años luz y el centro de la Vía Láctea a unos 26.000 años luz.

Representación artística de Messier 77 y la constelación de Cetus. / Jack Pairin, IceCube/NSF

Messier 77 es una galaxia activa, –active galactic nucleus (AGN) en inglés– por lo que tiene una luminosidad excepcionalmente alta y variable que muestra signos de la existencia de procesos muy energéticos en su zona central o núcleo. El hallazgo apunta a que las galaxias activas actúan como fuentes de rayos cósmicos, que a su vez generan las emisiones de neutrinos. Los rayos cósmicos representan la radiación más energética que llega a la Tierra desde el espacio, pero hasta ahora no había certezas sobre dónde vienen y dónde se aceleran.

A diferencia de la luz, los neutrinos pueden escapar de entornos extremadamente densos en el universo y llegar a la Tierra sin ser afectados por la materia y los campos electromagnéticos del espacio extragaláctico. Aunque los científicos imaginaron la astronomía de neutrinos hace más de 60 años, la débil interacción de los neutrinos con la materia y la radiación hace que su detección sea extremadamente difícil. Como no se ven alterados por campos magnéticos o nubes de polvo o gas, los neutrinos son mensajeros directos de los objetos de los que provienen, como los sitios alrededor de agujeros negros.

"Detectamos 80 neutrinos que se agrupan alrededor de las coordenadas astronómicas de la galaxia NGC1068. La evidencia se ve reforzada por el hecho de que estos neutrinos tienen energías más altas que las producidas en la atmósfera", explica a SINC Francis Halzen, investigador principal de IceCube y profesor de física en la Universidad de Wisconsin–Madison.

En el estudio ha sido fruto de la colaboración internacional de un equipo de investigación de más de 400 personas, que analizó los datos recopilados por el Observatorio de Neutrinos IceCube entre 2011 y 2020 para buscar fuentes puntuales de emisión de neutrinos.

Aunque los neutrinos se comportan como 'partículas fantasma', los científicos han ideado estrategias para su estudio. El Observatorio de Neutrinos IceCube, es un enorme telescopio de neutrinos que abarca un kilómetro cúbico de hielo instrumentalizado a profundidades de 1,5 a 2,5 kilómetros por debajo de la superficie de la Antártida, cerca del Polo Sur.

Esquema del observatorio IceCube. / IceCube/NSF

Algunos de los neutrinos que provienen del espacio exterior interaccionan con moléculas y producen otra partícula, que se llama muon, una especie de electrón con más masa. Cuando el muon se encuentra en un medio transparente, como el agua o el hielo, emite la llamada luz Cherenkov, una luz azul que sí es visible. Bajo kilómetros de hielo, en el IceCube se producen unas condiciones adecuadas para que las señales de neutrinos no se confundan con otras que no penetran a tan grandes profundidades y puedan ser estudiadas.

El observatorio IceCube detectó por primera vez una fuente astrofísica de neutrinos de alta energía en 2018. La detección TXS 0506+056 se trataba de un blázar conocido –una fuente de energía asociada a un agujero negro– ubicado en el hombro izquierdo de la constelación de Orión, a 4.000 millones de años luz de distancia.

A diferencia de la detección de ahora de Messier 77, una observación 'constante', la detección de TXS 0506+056 es calificada por los investigadores de IceCube como un 'destello' de neutrinos.

Cuando un neutrino interactúa con moléculas en el 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

La astronomía de neutrinos: una nueva mirada sobre el universo

Todos hemos observado alguna noche nuestra galaxia con curiosidad. La Vía Láctea domina el paisaje que contemplamos del cielo nocturno en el espectro visible. Pero este no es el caso de las emisiones de neutrinos.

"Nuestra propia galaxia es un desierto de neutrinos. Tras identificar que las galaxias activas actúan como aceleradoras de rayos cósmicos, una razón sencilla puede ser que el agujero negro del centro de nuestra galaxia no ha estado activo durante mucho tiempo", argumenta Francis Halzen.

Los neutrinos podrían ayudar a resolver grandes enigmas como el de la materia oscura, de la que se compone un 80 % del universo, pero que no sabemos con certeza qué es.

"El desafío más grande es precisamente poder detectar otras fuentes. La galaxia NGC1068 es muy brillante y está muy cerca, por eso ha sido la primera y ha sido relativamente fácil de detectar. Para poder observar muchas otras fuentes se necesita un telescopio más grande que IceCube", explica Aguilar.

Actualmente, ya se está desarrollando el IceCube-Gen2, una actualización de este laboratorio de neutrinos que ampliará drásticamente el volumen de detección, permitiendo detectar neutrinos a un ritmo mucho más rápido e identificar fuentes más lejanas o menos intensas que NGC1068.

Referencia:

IceCube Collaboration. 'Evidence for neutrino emission from the nearby active galaxy NGC 1068'. 'Science', (2022)