IceCube
es un observatorio de neutrinos cuyos detectores están enterrados a más de una
milla por debajo de la superficie del Polo Sur. Crédito de la imagen: Emanuel
Jacobi / National Science Foundation.
Hace unos cuatro mil millones de años, cuando el planeta Tierra
todavía estaba en su infancia, el eje de un agujero negro aproximadamente mil
millones de veces más masivo que el sol apuntaba hacia donde estaría nuestro
planeta el 22 de septiembre de 2017.
A lo largo del eje, un chorro de partículas de alta energía que envió fotones y neutrinos en nuestra dirección a la velocidad de la luz o cerca de ella. El IceCube Neutrino Observatory en el Polo Sur detectó una de estas partículas subatómicas, el IceCube -170922A de neutrinos, y la remontó a un pequeño parche de cielo en la Constelación de Orión y señaló la fuente cósmica: Un Agujero Negro ardiente del tamaño de un billón soles, ubicado a 3.7 billones de años luz de la Tierra, conocidos como Blazar TXS 0506 + 056.
Los Blazars se conocen desde hace un tiempo. Lo que no estaba claro era que podían producir neutrinos de alta energía.
Aún más emocionante fue que tales neutrinos nunca
antes se habían rastreado hasta su origen.
Encontrar la fuente cósmica de neutrinos de alta
energía por primera vez, anunciada el 12 de julio de 2018 por la National
Science Foundation, marca el comienzo de una nueva era de astronomía de neutrinos. Perseguidos desde 1976, cuando los
primeros físicos intentaron construir un detector
de neutrinos de alta energía a gran escala frente a la costa hawaiana ,
el descubrimiento de IceCube marca la conclusión triunfal de una larga y
difícil campaña de cientos de científicos e ingenieros, y simultáneamente el
nacimiento de una rama de astronomía completamente nueva.
La detección
de dos mensajeros astronómicos distintos (neutrinos y luz) es
una poderosa demostración de cómo la llamada astronomía multimessenger puede
proporcionar la influencia que necesitamos para identificar y comprender
algunos de los fenómenos más energéticos del universo. Desde su
descubrimiento como fuente de neutrinos hace menos de un año, el Blazar TXS
0506 + 056 ha sido objeto de un intenso escrutinio. Su flujo asociado de
neutrinos continúa proporcionando una visión profunda de los procesos físicos
en el trabajo cerca del agujero negro y su poderoso chorro de partículas y
radiación, transmitido casi directamente hacia la Tierra desde su ubicación
justo al lado de Orión.
Como tres científicos en un equipo global de
físicos y astrónomos involucrados en este notable descubrimiento, nos sentimos
atraídos por participar en este experimento por su gran audacia, por el desafío
físico y emocional de trabajar en turnos largos en un lugar brutalmente frío
mientras insertamos costosos, el equipo sensible en los agujeros perforó 1.5
millas de profundidad en el hielo y haciendo que todo funcione. Y, por
supuesto, por la emocionante oportunidad de ser las primeras personas en mirar
un nuevo tipo de telescopio y ver lo que revela sobre los cielos.
Un detector remoto y frío de
neutrinos
A una altitud que excede los 9,000 pies (2743
metros) y con temperaturas promedio en verano que rara vez alcanzan los
frígidos -30 grados Celsius, el Polo Sur puede no parecerle el lugar ideal para
hacer nada, además de alardear sobre visitar un lugar tan soleado y brillante
que necesita protección solar para tus narices. Por otro lado, una vez que
te das cuenta de que la altitud se debe a una gruesa capa de hielo ultrapuro
formado por varios cientos de miles de años de nieve prístina y que las bajas
temperaturas lo han mantenido todo muy bien congelado, entonces no te
sorprenderá que para el neutrino constructores de telescopios, las ventajas
científicas superan el entorno prohibitivo. El Polo Sur es ahora el hogar
del detector de neutrinos más grande del mundo, IceCube .
Marzo de 2015: el
laboratorio IceCube en la estación de South Pole de Amundsen-Scott, en la
Antártida, alberga las computadoras que recopilan datos brutos del
detector. Debido a las asignaciones de ancho de banda satelital, el primer
nivel de reconstrucción y filtrado de eventos ocurre casi en tiempo real en
este laboratorio. Erik Beiser, IceCube / NSF
Puede parecer extraño que necesitemos un detector
tan elaborado dado que alrededor de 100
mil millones de estas partículas fundamentales se desplazan a través de la uña
cada segundo y se deslizan sin esfuerzo por toda la Tierra sin interactuar
con un solo átomo terrestre.
De hecho, los neutrinos son las segundas partículas
más ubicuas, solo superadas por los fotones cósmicos del fondo de microondas
que quedaron del Big Bang. Comprenden una cuarta parte de las partículas
fundamentales conocidas. Sin embargo, debido a que apenas interactúan con
otras materias, son posiblemente las menos comprendidas.
Para atrapar un puñado de estas partículas elusivas
y descubrir sus fuentes, los físicos necesitan detectores de un gran kilómetro
de ancho hechos de un material ópticamente transparente, como el
hielo. Afortunadamente, la madre naturaleza nos proporcionó esta losa
prístina de hielo transparente donde pudimos construir nuestro detector.
En el Polo Sur, varios cientos de científicos e
ingenieros han construido y desplegado más de 5.000 fotosensores individuales
en 86 agujeros separados de 1.5 millas (4.572 metros) de profundidad fundidos
en el casquete polar con un taladro de agua caliente diseñado a medida. En
el transcurso de siete temporadas de verano australes instalamos todos los
sensores. La matriz IceCube se instaló por completo a principios de 2011 y
ha estado tomando datos continuamente desde entonces.
Este conjunto de detectores unidos por hielo
puede detectar con gran precisión cuando un neutrino vuela e interactúa con
unas pocas partículas terrestres que generan patrones tenues de luz azul de
Cherenkov, emitidas cuando las partículas cargadas se mueven a través de un
medio como el hielo a una velocidad cercana a la de la luz.
La emisión de
Blazar llega a la Tierra: los rayos gamma (magenta), la forma más energética de
la luz, y las partículas elusivas llamadas neutrinos (grises) formadas en el
chorro de un núcleo galáctico activo muy, muy lejano. La radiación viajó
durante aproximadamente 4 mil millones de años antes de llegar a la Tierra. El
IceCube Neutrino Observatory en el Polo Sur detectó la llegada del neutrino
IC170922 a la Antártida el 22 de septiembre de 2017. Después de la interacción
con una molécula de hielo, una partícula secundaria de alta energía - un muón -
ingresa a IceCube, dejando un rastro de azul luz detrás de ella. Crédito:
Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA / CI Lab / Nicolle R. Fuller /
NSF / Ice Cube
Neutrinos del cosmos
El talón de Aquiles de los detectores de neutrinos
es que otras partículas, que se originan en la atmósfera cercana, también
pueden desencadenar estos patrones de luz azul de Cherenkov. Para eliminar
estas señales falsas, los detectores están enterrados profundamente en el hielo
para filtrar la interferencia antes de que pueda llegar al detector
sensible. Pero a pesar de estar a menos de una milla de hielo sólido,
IceCube todavía enfrenta una avalancha de aproximadamente 2,500 de tales
partículas por segundo, cada una de las cuales podría deberse a un neutrino.
Con la tasa esperada de interesantes interacciones
de neutrinos astrofísicos reales (como los neutrinos entrantes de un agujero
negro) que rondan alrededor de uno por mes, nos enfrentamos con un problema
desalentador como sería la búsqueda de una aguja en un pajar.
La estrategia de IceCube es mirar solo los eventos
con tanta energía que es muy poco probable que sean de origen
atmosférico. Con estos criterios de selección y varios años de datos,
IceCube descubrió los neutrinos astrofísicos que había estado buscando durante
mucho tiempo, pero no pudo identificar ninguna fuente individual, como núcleos
galácticos activos o estallidos de rayos gamma, entre las varias docenas de
neutrinos de alta energía que había capturado.
Para descubrir las fuentes reales, IceCube comenzó
a distribuir alertas de llegada de neutrinos en abril de 2016 con la ayuda de
la Red de
Observatorios Astrofísicos Multimessenger en Penn State.
En el transcurso de los próximos 16 meses, se
distribuyeron 11 alertas de neutrinos IceCube-AMON a través de AMON y la red de
coordenadas de rayos gamma, solo minutos o segundos después de ser detectados
en el Polo Sur.
Una nueva ventana en el universo
Las alertas desencadenaron una secuencia
automatizada de observaciones de rayos X y ultravioleta con el Observatorio
Neil Gehrels Swift de la NASA y condujeron a más estudios
con el Telescopio
Espacial Fermi Gamma-Ray de la NASA y la Matriz del Telescopio Espectroscópico Nuclear ,
y otros 13 observatorios en todo el mundo.
Swift fue la primera instalación que identificó el
blazar flamígero TXS 0506 + 056 como una posible fuente del evento de
neutrinos. El Telescopio de área grande de Fermi informó
que el Blazar estaba en un estado de llamarada y emitía muchos más rayos gamma
que en el pasado. A medida que se difundió la noticia, otros observatorios
se subieron al tren con entusiasmo y se produjo una amplia gama de
observaciones.
El telescopio terrestre MAGIC notó que nuestro
neutrino provenía de una región que producía rayos gamma de muy alta energía
(cada uno diez millones de veces más enérgico que un rayo X), la primera vez
que se ha observado tal coincidencia. Otras observaciones ópticas completaron
el rompecabezas midiendo la distancia al Blazar
TXS 0506 + 056: a unos cuatro mil millones de años luz de la Tierra.
Con la primera identificación de una fuente cósmica
de neutrinos de altas energía, ha surgido una nueva rama en el árbol de la astronomía. A
medida que la neutrino astronomía de
alta energía crece con más datos, una mejor coordinación entre interobservadores
y detectores más sensibles, podremos mapear el cielo de neutrinos con una
precisión cada vez mejor.
Y esperamos nuevos y emocionantes avances en
nuestra comprensión del universo para hacer lo mismo, tales como: resolver el
misterio centenario del origen de los rayos cósmicos increíblemente
energéticos; probar si el espaciotiempo en sí es espumoso, con
fluctuaciones cuánticas a escalas de distancia muy pequeñas, como lo predicen
ciertas teorías de la gravedad cuántica; y descubriendo exactamente cómo
los aceleradores cósmicos, como los que están alrededor del agujero negro TXS 0506 + 056, logran
acelerar las partículas a energías tan asombrosamente altas.
Durante 20 años, IceCube Collaboration tuvo el
sueño de identificar las fuentes de neutrinos cósmicos de alta energía, y este
sueño ahora es una realidad.
Este trabajo de Doug Cowen, Profesor
de Física y Astronomía y Astrofísica, de la Universidad Estatal de Pensilvania;
Azaden Keivani, Frontiers of Science Fellow, Columbia University y Derek Fox,
Profesor Asociado de Astronomía y Astrof{isica, Universidad Estatal de
Pensilvania, se encuentra en “The Conversation” bajo el título: “The IceCube observatory detects neutrino and discovers a blazar asits source”
Fuente: The Conversation – 12 de julio. 2018
Glosario
Blazar: Un blazar es una fuente
de energía muy compacta y altamente variable, asociada a un agujero negro
situado en el centro de una galaxia. Los blazares están entre
los fenómenos más violentos del universo y son un tema importante en la
astronomía extragaláctica. ... Los blazars no
constituyen un grupo homogéneo
Traducción libre de Soca
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