Neutrinos cósmicos desde una remota galaxia
Radioimágenes del blázar PKS B1424-418 obtenidas mediante la técnica conocida como VLBI. El brillo aumentó en un factor 4, el cambio más importante observado en todas las fuentes del programa TANAMI. © TANAMI
“Nuestro trabajo muestra la primera asociación verosímil entre un objeto exterior a nuestra galaxia y los neutrinos cósmicos”, afirma Eduardo Ros, profesor de astronomía de la Universitat de Valéncia, actualmente investigador científico en el Instituto Max Planck de Radioastronomía en Bonn, Alemania, y coautor del estudio. Añade: “De hecho, los neutrinos son las partículas más rápidas, ligeras y esquivas de la naturaleza y por tanto las más desconocidas. Afortunadamente, nuevos detectores como IceCube acercan la física de partículas a la astrofísica; ahora podemos identificar neutrinos procedentes del exterior de nuestra galaxia.”
El detector de neutrinos IceCube, construido bajo el manto de hielo de la Antártida, es capaz de fotografiar la luz producida por la cascada de partículas que produce un neutrino al chocar con el hielo. Esta luz, llamada radiación de Cherenkov, nos revela la energía y la dirección original del neutrino.
El equipo científico de IceCube ha bautizado como personajes de Barrio Sésamo a los neutrinos más espectaculares. Así, a Epi y Blas (HESE-20 y HESE-14 en su nombre científico) les siguió el día 4 de diciembre de 2012 la detección de Caponata (‘Big Bird’ en inglés, o HESE-35), un neutrino cuya energía excede los dos mil billones de electron voltios (2 PeV). Esta energía es un billón de veces mayor que la de una radiografía dental pero concentrada en una sola partícula cuya masa es menos de una millonésima que la de un electrón. Caponata fue el neutrino con mayor energía jamás detectado en su momento.
IceCube ha podido determinar la posición original de esta partícula con una precisión de 32 grados, equivalente a 64 lunas llenas. De manera simultánea a las observaciones de IceCube, el programa de observaciones TANAMI utilizaba una red de radiotelescopios distribuidos por Australia, Sudáfrica, Chile y la Antártida para realizar un seguimiento de varias decenas de galaxias activas del cielo austral, incluyendo la región de donde procede HESE-35 (Caponata). A su vez, el detector LAT del telescopio espacial de rayos gamma Fermi observó un aumento de un factor 30 en el brillo de esta galaxia, una de las estudiadas en programa TANAMI. Las imágenes en radiofrecuencia de TANAMI mostraron que el brillo de PKS B1424−418 se multiplicó por cuatro entre finales de 2011 y comienzos de 2013. El puzzle encaja.
El cielo en rayos gamma, centrado en el blázar PKS B1424-418. La línea de puntos corresponde a la zona correspondiente a Caponata (50% estadístico). Ambas imágenes muestran una suma de la radiación gamma durante 300 días. A la izquierda, centrada el 8-VII-2011, con la fuente inactiva; a la derecha, el 27-II-2013, cuando la fuente estaba en plena actividad. © NASA/DOE/Colaboracion LAT.
Ninguna otra galaxia observada por Fermi o por TANAMI mostró variaciones en su brillo durante el mismo periodo. Por tanto, “tras cribar todas las posibles fuentes alternativas, Caponata tiene que haberse originado en el mismo objeto que brilla fuertemente en radio y en rayos gamma”, indica Felicia Krauss, estudiante de doctorado en la Universidad de Wurzburgo que ha contribuido notablemente a la investigación en el marco de su tesis, a lo que añade Matthias Kadler, profesor de la misma universidad y primer responsable de la publicación: “Ha sido una suerte enorme y un gran éxito que estuviésemos estudiando todas estas galaxias con el proyecto TANAMI, y que así hayamos encontrado la ‘culpable’ de emitir un neutrino récord.”
Imagen animada de la radiogalaxia asociada al neutrino ‘Caponata’. Crédito: TANAMI/NASA.
La probabilidad estadística de que PKS B1424−418 y Caponata no estén asociados es del 5%. Los astrónomos han compilado información de todo el espectro electromagnético a partir de telescopios espaciales como Fermi, Swift y WISE, y de radiotelescopios terrestres, demostrando así que esta galaxia tiene la suficiente energía para producir un neutrino en el rango de petaelectronvoltios (PeV).
“Todavía existe una posibilidad de que PKS B1424−418 no sea el origen de ‘Big Bird’ (Caponata), pero es nuestro principal sospechoso. Caben ya pocas dudas.”, añade Eduardo Ros, que concluye: “La astronomía de neutrinos acaba de nacer. Pronto podremos localizar el origen de un neutrino con una precisión de 0,6 grados y, si seguimos estudiando el cosmos con la batería de telescopios disponibles, estaremos más cerca de desvelar los secretos del origen y la física de estos fenómenos, que hasta hace bien poco escapaban a nuestra comprensión. ”
TANAMI (Tracking Active Galactic Nuclei with Austral Milliarcsecond Interferometry) es un proyecto que incluye observaciones periódicas de galaxias activas utilizando la red de telescopios del Long Baseline Array (LBA) australiano y telescopios asociados en Chile, Sudáfrica, Nueva Zelanda y la Antártida. Combinados operan como un único radiotelescopio de 10,000 km de tamaño, proporcionando imágenes de los jets en las galaxias activas con una resolución sin precedentes.
El observatorio de neutrinos IceCube, está construido dentro de un kilometro cúbico de hielo en el Polo Sur y detecta neutrinos cuando estos interaccionan con los átomos del hielo. Tal interacción causa una cascada de partículas cargadas a alta velocidad que a su vez emiten un resplandor conocido como luz Cherenkov. Miles de detectores ópticos registran esta señal y pueden determinar la energía y la dirección original del neutrino incidente.
El telescopio espacial de rayos gamma de la NASA Fermi es una colaboración entre astrofísicos y físicos de partículas, desarrollado en colaboración con el Ministerio de Energía de EE.UU. y con contribuciones de varias instituciones en Francia, Alemania, Italia, Japón, Suecia y EEUU.
Publicación original:
Coincidence of a high-fluence blazar outburst with a PeV-energy neutrino event. Kadler, M.; Krauß, F.; Mannheim, K.; Ojha, R.; Müller, C.; Schulz, R.; Anton, G.; Baumgartner, W.; Beuchert, T.; Buson, S.; Carpenter, B.; Eberl, T.; Edwards, P. G.; Eisenacher Glawion, D.; Elsässer, D.; Gehrels, N.; Gräfe, C.; Hase, H.; Horiuchi, S.; James, C. W.; Kappes, A.; Kappes, A.; Katz, U.; Kreikenbohm, A.; Kreter, M.; Kreykenbohm, I.; Langejahn, M.; Leiter, K.; Litzinger, E.; Longo, F.; Lovell, J. E. J.; McEnery, J.; Phillips, C.; Plötz, C.; Quick, J.; Ros, E.; Stecker, F. W.; Steinbring, T.; Stevens, J.; Thompson, D. J.; Trüstedt, J.; Tzioumis, A. K.; Wilms, J.; Zensus, J. A. 2016, Nature Physics, DOI 10.1038/nphys3715.
http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3715.html
