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 estaba apuntando hacia donde estaría nuestro planeta el 22 de septiembre de 2017.
A lo largo del eje, un chorro de partículas de alta energía envió fotones y neutrinos corriendo en nuestra dirección a la velocidad de la luz o cerca de ella. El Observatorio de Neutrinos IceCube en el Polo Sur detectó una de estas partículas subatómicas, el neutrino IceCube-170922A, y lo rastreó hasta un pequeño parche de cielo en la constelación de Orión y señaló la fuente cósmica: un agujero negro deslumbrante del tamaño de mil millones soles, a 3.700 millones de años luz de la Tierra, conocidos como blazar TXS 0506 + 056. Blazars se conocen desde hace algún tiempo. Lo que no estaba claro era que podían producir neutrinos de alta energía. Aún más emocionante fue que tales neutrinos nunca antes habían sido rastreados hasta su origen.
Encontrar la fuente cósmica de neutrinos de alta energía por primera vez, anunciado el 12 de julio de 2018 por la National Science Foundation, marca el comienzo de una nueva era de astronomía de neutrinos. Desde 1976, cuando los físicos pioneros intentaron construir un detector de neutrinos de alta energía a gran escala en la costa hawaiana, el descubrimiento de IceCube marca la conclusión triunfante de una campaña larga y difícil de cientos de científicos e ingenieros, y simultáneamente el nacimiento de una rama completamente nueva de la astronomía.
La constelación de Orión, con una diana en la ubicación del blazar. (Silvia Bravo Gallart / Proyecto_WIPAC_Comunicaciones, CC BY-ND) La detección de dos mensajeros astronómicos distintos: los neutrinos y la luz, es una demostración poderosa 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, 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 a participar en este experimento por su audacia pura, por el desafío físico y emocional de trabajar turnos largos en un lugar brutalmente frío mientras se inserta caro, equipos sensibles en agujeros perforados a 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.
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A una altitud que excede los 9, 000 pies y con temperaturas de verano promedio que raramente rompen un frío de -30 grados Celsius, el Polo Sur puede no ser el lugar ideal para hacer nada, además de presumir de visitar un lugar tan soleado y brillante que necesita protector solar. por tus fosas nasales Por otro lado, una vez que te das cuenta de que la altitud se debe a una capa gruesa de hielo ultra puro hecho de varios cientos de miles de años de nevadas vírgenes y que las bajas temperaturas lo han mantenido todo 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 Amundsen-Scott South Pole, en la Antártida, alberga las computadoras que recopilan datos sin procesar 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 su miniatura cada segundo y se deslizan sin esfuerzo por toda la Tierra sin interactuar con un solo átomo terrenal.
De hecho, los neutrinos son las segundas partículas más ubicuas, solo superadas por los fotones de fondo de microondas cósmicos que quedan del Big Bang. Comprenden una cuarta parte de las partículas fundamentales conocidas. Sin embargo, debido a que apenas interactúan con otra materia, son posiblemente los menos entendidos.
Para atrapar un puñado de estas escurridizas partículas y descubrir sus fuentes, los físicos necesitan grandes detectores de un kilómetro de ancho hechos de un material ópticamente transparente, como el hielo. Afortunadamente, la Madre Naturaleza proporcionó esta losa de hielo transparente donde pudimos construir nuestro detector.
El Observatorio de Neutrinos IceCube equipa un volumen de aproximadamente un kilómetro cúbico de hielo antártico transparente con 5.160 módulos ópticos digitales (DOM) a profundidades entre 1.450 y 2.450 metros. El observatorio incluye un subdetector densamente instrumentado, DeepCore, y un conjunto de ducha de aire superficial, IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF) 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 de profundidad derretidos en la capa de hielo polar con un taladro de agua caliente diseñado a medida. En el transcurso de siete temporadas australes de verano, instalamos todos los sensores. La matriz IceCube se instaló completamente a principios de 2011 y desde entonces ha estado tomando datos continuamente.
Este conjunto de detectores unidos a hielo puede detectar con gran precisión cuando un neutrino vuela e interactúa con unas pocas partículas terrestres que generan patrones tenues de luz azulada de Cherenkov, emitida cuando las partículas cargadas se mueven a través de un medio como el hielo cerca de la velocidad de la luz.
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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 azulada de Cherenkov. Para eliminar estas señales falsas, los detectores se entierran profundamente en el hielo para filtrar la interferencia antes de que pueda llegar al detector sensible. Pero a pesar de estar bajo casi una milla de hielo sólido, IceCube aún enfrenta una avalancha de aproximadamente 2.500 partículas de este tipo por segundo, cada una de las cuales podría deberse a un neutrino.
Con la tasa esperada de interacciones astrofísicas de neutrinos reales e interesantes (como los neutrinos entrantes de un agujero negro) rondando aproximadamente uno por mes, nos enfrentamos con un problema desalentador de aguja en 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 explosiones de rayos gamma, entre las varias docenas de neutrinos de alta energía. había capturado.
Para descifrar 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 de Multimessenger en Penn State. En el transcurso de los siguientes 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 detectadas en el Polo Sur.
El 22 de septiembre de 2017, IceCube alertó a la comunidad internacional de astronomía sobre la detección de un neutrino de alta energía. Alrededor de 20 observatorios en la Tierra y en el espacio realizaron observaciones de seguimiento, lo que permitió identificar lo que los científicos consideran una fuente de neutrinos de muy alta energía y, por lo tanto, de rayos cósmicos. Además de los neutrinos, las observaciones realizadas a través del espectro electromagnético incluyeron rayos gamma, rayos X y radiación óptica y de radio. Estos observatorios están a cargo de equipos internacionales con un total de más de 1, 000 científicos apoyados por agencias de financiamiento en países de todo el mundo. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
Las alertas activaron 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 de Rayos Gamma Fermi de la NASA y el Conjunto de Telescopios Espectroscópicos Nucleares, y otros 13 observatorios en todo el mundo.
Swift fue la primera instalación en identificar al blazar fulgurante TXS 0506 + 056 como una posible fuente del evento de neutrinos. El Telescópethen de área grande de Fermi informó que el blazar estaba en un estado de quema, emitiendo muchos más rayos gamma que en el pasado. A medida que se difundió la noticia, otros observatorios se subieron al carro con entusiasmo y se produjo una amplia gama de observaciones. El telescopio terrestre MAGIC señaló que nuestro neutrino provenía de una región que produce rayos gamma de muy alta energía (cada uno diez millones de veces más enérgico que una radiografía), la primera vez que se ha observado una coincidencia de este tipo. Otras observaciones ópticas completaron el rompecabezas midiendo la distancia al blazar TXS 0506 + 056: aproximadamente cuatro mil millones de años luz de la Tierra.
Con la primera identificación de una fuente cósmica de neutrinos de alta energía, ha surgido una nueva rama en el árbol de la astronomía. A medida que la astronomía de neutrinos de alta energía crezca con más datos, una mejor coordinación entre observatorios y detectores más sensibles, podremos mapear el cielo de neutrinos con mayor y mejor precisión.
Y esperamos que nuevos e interesantes avances en nuestra comprensión del universo sigan su ejemplo, tales como: resolver el misterio centenario del origen de los rayos cósmicos asombrosamente energéticos; probar si el espacio-tiempo mismo es espumoso, con fluctuaciones cuánticas a escalas de distancia muy pequeñas, como lo predicen ciertas teorías de la gravedad cuántica; y descubrir exactamente cómo los aceleradores cósmicos, como los que están alrededor del agujero negro TXS 0506 + 056, logran acelerar las partículas a energías tan impresionantes.
Durante 20 años, IceCube Collaboration tuvo el sueño de identificar las fuentes de neutrinos cósmicos de alta energía, y este sueño es ahora una realidad.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation.
Doug Cowen, profesor de física y profesor de astronomía y astrofísica, Universidad Estatal de Pensilvania
Azadeh Keivani, miembro de Frontiers of Science, Universidad de Columbia
Derek Fox, profesor asociado de astronomía y astrofísica, Universidad Estatal de Pensilvania
