Por primera vez desde que los rayos cósmicos fueran descubiertos en 1912, un equipo internacional de investigadores ha conseguido localizar uno de los puntos de origen de estos chorros de partículas de altísima energía que bombardean continuamente la Tierra



El observatorio de neutrinos IceCube, enterrado en el Polo Sur - IceCube Collaboration / NSF

Descubierta la primera fuente de rayos cósmicos. Se trata de un lejano «blazar» a 4.000 millones de años luz de la Tierra

Por primera vez desde que los rayos cósmicos fueran descubiertos en 1912, un equipo internacional de investigadores ha conseguido localizar uno de los puntos de origen de estos chorros de partículas de altísima energía que bombardean continuamente la Tierra. El hallazgo se acaba de publicar en la revista «Science».

Desde que el mundo es mundo, la Tierra sufre el bombardeo constante de millones de partículas de alta energía procedentes del espacio profundo. Al colisionar con los átomos de la atmósfera, esos diminutos proyectiles que nos llegan casi a la velocidad de la luz ponen en marcha toda una serie de reacciones nucleares, generando nuevas partículas que vuelven a chocar con otros átomos en una reacción en cadena. El resultado es una auténtica «cascada» de partículas secundarias que terminan por caer sobre nuestro planeta y que pueden ser detectadas por los instrumentos de los científicos.

Sin embargo, nadie había conseguido aún determinar su procedencia. La energía a la que esas «colisiones atmosféricas» se producen es cien millones de veces superior a la que es posible alcanzar en los mejores aceleradores, las herramientas más poderosas y sofisticadas de cuantas manejan los físicos.

Conocidas por el nombre de «rayos cósmicos», investigadores de todo el mundo llevan ya más de un siglo (se detectaron por primera vez en 1912) tratando de averiguar, sin éxito, de dónde vienen estas energéticas partículas espaciales. Sabemos que las «fuentes» de las que manan deben ser fenómenos de extraordinaria violencia, situadas a miles de millones de años luz. ¿Pero dónde exactamente? ¿Qué clase de eventos, además, podrían generar un haz de energía capaz de cruzar la inmensidad del Universo y llegar hasta nosotros con semejante fuerza?

Ahora, un equipo internacional de científicos ha localizado, por primera vez, una de esas fuentes de rayos cósmicos. Y lo ha hecho siguiendo la pista de los neutrinos de alta energía surgidos al mismo tiempo y del mismo lugar del que manan las partículas. La extraordinaria noticia ha merecido esta semana dos artículos y la portada de «Science».
Un neutrino interactúa con una molécula de hielo - Nicolle R. Fuller/NSF/IceCube

Las observaciones, llevadas a cabo por el Observatorio de Neutrinos Ice Cube, situado en el Polo Sur, han sido confirmadas por telescopios de todo el mundo, tanto terrestres como orbitales. Por fin, el misterio de los rayos cósmicos parece estar cerca de desvelarse.

La razón para recurrir a los neutrinos es sencilla. Debido a que los rayos cósmicos están hechos de partículas cargadas, principalmente protones, sus trayectorias no pueden rastrearse «a la inversa» siguiendo una línea recta que nos lleve directamente hasta sus lugares de origen. Los numerosos y potentes campos magnéticos que encuentran en su camino, en efecto, desvían una y mil veces la trayectoria de esos rayos en su compleja y zigzagueante ruta hasta la Tierra.

Por fortuna, los poderosos «aceleradores cósmicos» que producen los rayos también generan neutrinos, partículas sin carga y que, por lo tanto, no se ven afectadas ni siquiera por los campos magnéticos más poderosos. Los neutrinos, también conocidos como «partículas fantasma», prácticamente no tienen masa, por lo que tampoco interactúan muy a menudo con la materia. Es decir, que son capaces de viajar en línea recta y sin perturbaciones directamente desde sus fuentes hasta nosotros, atravesando sin inmutarse planetas, estrellas, galaxias y campos magnéticos como si éstos no existieran.

«La era de la astrofísica de mensajeros múltiples ya está aquí», afirma France Córdova, director de la National Science Foundation (NSF) organismo del que depende el detector de neutrinos IceCube. «Cada mensajero, desde la radiación electromagnética, las ondas gravitacionales y ahora los neutrinos, nos brinda una comprensión más completa del Universo y nuevos e importantes conocimientos sobre los objetos y eventos más poderosos del cielo. Tales avances solo son posibles a través de un compromiso a largo plazo con la investigación fundamental y la inversión en excelentes instalaciones de investigación».

El detector IceCube, por ejemplo, fue construido y diseñado específicamente para identificar y rastrear neutrinos de alta energía. En 2013, IceCube observó los primeros neutrinos más allá de nuestra galaxia y desde entonces ha llevado a cabo numerosas mediciones fundamentales en astronomía de neutrinos, ayudando a los científicos a dar sentido a la materia en sus formas más elementales.

En esta representación artística, se muestra un poderoso blazar como origen del neutrino IceCube IC170922. El observatorio Fermi en el espacio y los telescopios MAGIC en la Tierra detectaron rayos gamma de alta energía de la misma fuente - IceCube Collaboration/Google Earth: PGC/NASA U.S. Geological Survy Data SIO,NOAA, U.S. Navy, NGA, GEBCO Landsat/Copernicus
Un único neutrino

En su trabajo, los investigadores lograron trazar el camino que había seguido un único neutrino, detectado por IceCube el 22 de septiembre de 2017. Y comprobaron que procedía de un "blazar" ya conocido, aunque poco estudiado hasta ahora. Un blazar, uno de los fenómenos más violentos del Universo, es una galaxia elíptica gigante con un enorme agujero negro supermasivo que gira rápidamente en su núcleo. Una de las características distintivas de los blazars es que emiten desde sus polos dos enormes y masivos chorros gemelos de luz y partículas elementales. Designado como TXS 0506 + 056, uno de los chorros de este blazar en concreto apunta directamernte hacia la Tierra. Situado en el cielo justo al lado del "hombro" izquierdo de la constelación de Orión, el responsable de la emisión de neutrinos de alta energía detectados por IceCube se encuentra a unos 4.000 millones de años luz de distancia.

En palabras de Francis Halzen, investigador principal del observatorio de neutrinos IceCube, «la evidencia para la observación de la primera fuente conocida de neutrinos de alta energía y rayos cósmicos resulta convincente».
Sistema de alerta

Cuando un neutrino interactúa 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 / NSF / IceCube

El IceCube está equipado con un novedoso sistema de alerta, que se dispara automáticamente cuando se detecta el impacto de un neutrino de muy alta energía contra uno de los detectores del telescopio. Cosa que sucedió el pasado 22 de septiembre. Menos de un minuto después del impacto, IceCube ya había enviado las coordenadas del evento a veinte telescopios de todo el mundo, para que llevaran a cabo observaciones de seguimiento.

La confirmación fue dada por dos telescopios de rayos gamma. Por un lado, el Telescopio Espacial Fermi, de la NASA, ya había observado un «pico» en la actividad de rayos gamma durante sus escaneos periódicos del cielo cada tres horas. Y ese pico procedía precisamente de la dirección del blazar. Por otro, los Telescopios Cherenkov (MAGIC) de las islas Canarias, escrutaron el cielo en la dirección proporcionada por la alerta automática del IceCube, y detectaron un intenso fogonazo de rayos gamma de altísima energía asociados con el blazar TXS 0506 + 056. La convergencia de ambas observaciones ayudó a identificar a ese blazar como fuente de la emisión.

Fermi fue el primer telescopio en observar un aumento de la actividad de rayos gamma en TXS 0506 + 056, dentro de un estrecho ángulo de apenas 0,06 grados con respecto a la dirección indicada por IceCube. En más de una década de observaciones, esta fue la mayor llamarada de rayos gamma detectada por el telescopio de la NASA. Posteriormente, MAGIC, en Canarias, detectó emisiones de rayos gamma de energías aún más altas.

En esta representación artística, un blazar emite tanto neutrinos como rayos gamma que podrían ser detectados por el IceCube- IceCube / NASA

Los rayos gamma de alta energía pueden ser producidos por electrones o protones sujetos a una gran aceleración. Y la observación de un neutrino, que es una marca distintiva de las interacciones entre protones, es la primera evidencia definitiva de la aceleración de un protón debido a la acción de un gran agujero negro.

«Ahora -explica Halzen- hemos identificado al menos una fuente de rayos cósmicos, porque ésta produce neutrinos cósmicos. Los neutrinos son los productos de descomposición de los piones. Para poder producirlos, es necesario un acelerador de protones».

Las observaciones prueban que TXS 0506 + 056 se encuentra entre las fuentes más luminosas del Universo conocido y, por lo tanto, refuerzan las detecciones de varios «mensajeros» emitidos por un «motor cósmico» lo suficientemente potente como para acelerar los rayos cósmicos de alta energía y producir los neutrinos asociados. Uno de esos neutrinos, que navegaba junto a millones de otros neutrinos bajo los hielos de la Antártida tras su larguísimo viaje de 4.000 millones de años luz, fue el que el IceCube capturó el pasado 22 de septiembre.

Justo después de la detección, el equipo de investigadores de IceCube revisó rápidamente los datos de archivo del detector. El observatorio de neutrinos, en efecto, siempre está encendido y observando en todas direcciones, incluso a través de la Tierra, el cielo en el hemisferio norte. Y resulta que había descubierto una llamarada de neutrinos en diciembre de 2014 y que procedía del mismo blazar, TXS 0506 + 056, al que los científicos han dado el apodo de «la fuente de Texas».

Esta observación independiente refuerza en gran medida la detección en 2017 de un único neutrino de alta energía, y se suma a un creciente conjunto de datos que indica que el blazar es, efectivamente, la primera fuente de neutrinos de alta energía y rayos cósmicos descubierta por el hombre.
Así funciona el IceCube

El hielo cristalino bajo el Polo Sur (a una profundidad entre los 1.450 y los 2.450 metros) proporciona el medio que permite que el IceCube documente la interacción de neutrinos de alta energía con la materia terrestre. Las colisiones entre los neutrinos y los núcleos atómicos son muy raras, pero producen una «firma» inconfundible: un cono característico de luz azul que se mapea a través de la red del detector, que consta de 5.000 tubos fotomultiplicadores.

Cuando un neutrino se estrella contra el núcleo de un átomo, crea una o más partículas cargadas secundarias, que a su vez crean la luz azul. Dado que tanto la partícula cargada como la luz que genera permanecen esencialmente fieles a la dirección original del neutrino, los científicos disponen de un «camino» para recorrer a la inversa y llegar hasta la fuente de la que partió el neutrino.

El Observatorio Ice Cube es operado por una colaboración internacional de 300 científicos procedentes de 49 instituciones de 12 países, y forma parte del Centro de Astroísica de Partículas IceCube de la Universidad de Wisconsin.

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