Label: Física de partículas
Los neutrinos son partículas bastante raras, y no es porque haya
pocas: son la segunda partícula más abundante del universo. De hecho,
cada segundo atraviesan nuestro cuerpo billones de neutrinos producidos
en el Sol, incluso de noche. Decimos que son raras justamente porque
pueden atravesarnos, cruzar la Tierra y seguir su camino intactas.
Ilustración de los módulos ópticos (de
unos 30 cm cada uno) del detector KM3NeT de neutrionos, con una unidad
de detección en la boya amarilla. (Foto: © Edward Berbee/Nikhef)
Esta propiedad es lo que ha hecho que cientos de científicos e ingenieros de todo el mundo hayan trabajado durante años para construir y operar telescopios gigantescos que permitan estudiar el cosmos con este tipo de partículas. Estos telescopios también son ‘raros’. Su funcionamiento se basa en detectar una luz azulada (denominada luz Cherkenkov) que se emite cuando un neutrino interacciona cerca del detector y produce otras partículas.
Los telescopios de neutrinos consisten en una red de cientos o miles
de detectores de luz encapsulados en esferas de cristal de tamaño de un
balón de playa e instalados en el fondo del mar o en el hielo antártico.
Este último es el caso de IceCube, localizado en la Antártida, que
acaba de publicar la detección de neutrinos provenientes del blazar TXS
0506+056.
Un blazar es un caso particular de galaxia de núcleo activo (AGN, por
sus siglas en inglés), es decir, galaxias en las que existe un agujero
negro con una masa millones de veces mayor que la del Sol sobre la que
cae materia a gran velocidad.
Las AGN son uno de los candidatos favoritos de los astrofísicos para
explicar uno de los misterios más longevos en Física: ¿Cuál es el origen
de los rayos cósmicos de gran energía que observamos? Por tanto, el
descubrimiento tiene gran importancia y trascendencia, como fue
subrayado en la rueda de prensa donde se presentó.
Además de arrojar luz sobre la cuestión del origen de los rayos
cósmicos, confirma que estamos en una nueva era en la observación del
cielo. En los últimos dos años hemos asistido al nacimiento de la
astronomía de multimensajeros. La reciente observación de ondas
gravitacionales y la identificación de la primera fuente de neutrinos
cósmicos de alta energía nos van a permitir tener una comprensión mucho
más completa del universo.
El nuevo descubrimiento tiene detrás un esfuerzo enorme para
construir un detector que abarca un kilómetro cúbico enterrado a 2.000
metros bajo la superficie del Polo Sur. Tuve la suerte de participar
como miembro de esta colaboración durante una estancia postdoctoral de
dos años en la Universidad de Madison-Wisconsin (la institución
estadounidense que lidera la colaboración internacional IceCube), bajo
la dirección de Francis Halzen, investigador principal del proyecto.
Mi labor estuvo centrada en el análisis de las prestaciones
esperadas para este detector y allí pude comprobar de cerca la
rigurosidad de las pruebas de calidad de todos los elementos y el
altísimo de nivel de organización logística, que han hecho posible
instalar y operar exitosamente este detector en un ambiente tan extremo
como la Antártida.
Pero hay que recordar que actualmente existen dos proyectos en el mar
Mediterráneo dedicados también a buscar neutrinos cósmicos: ANTARES y
KM3NeT, en los que participan grupos españoles (el Instituto de Física
Corpuscular o IFIC, la Universidad Politécnica de Valencia y la
Universidad de Granada).
ANTARES lleva tomando datos desde 2007. Es bastante más pequeño que
IceCube (en una proporción 1:50), pero ha demostrado la viabilidad de su
técnica en el fondo del mar, con importantes ventajas respecto al
hielo. En particular, se observa como la luz se dispersa menos en el
agua y una mejor resolución angular, algo crucial en un telescopio para
identificar bien de dónde vienen los neutrinos.
Esto ha impulsado el siguiente paso: construir un detector del tamaño
de IceCube en el Mediterráneo. Se llama KM3NeT (Cubic Kilometre
Neutrino Telescope) y ya se han comenzado a instalar sus primeras
líneas. En 2020 contará con un centenar de líneas cerca de la costa
francesa y otro centenar al sur de Italia.
Es interesante señalar que hay una cooperación bastante cercana entre
estos dos experimentos del Mediterráneo y IceCube, incluyendo reuniones
anuales conjuntas. De hecho, ANTARES fue una de las colaboraciones
científicas que recibió la alerta e información previa sobre el blazar
TXS 0506+056, lo que nos ha permitido estudiar si había una señal de esa
fuente en nuestros datos.
Los telescopios de neutrinos como ANTARES y KM3NeT también están
centrados en uno de los grandes retos de la física de partículas actual:
la búsqueda de materia oscura. Sabemos que la materia oscura constituye
el 80% de la materia del universo, pero no está hecha de ningún tipo de
partícula que conozcamos. Precisamente porque no sabemos de qué está
constituida, necesitamos abordar la búsqueda mediante diversas técnicas
experimentales, y los telescopios de neutrinos ofrecen ventajas
específicas.
En nuestro caso, las fuentes más prometedoras son el Sol y el centro
galáctico. La idea es que las partículas de materia oscura se acumulan
en estos objetos astrofísicos, y cuando chocan entre ellas producen
diversas partículas, entre ellas neutrinos. Ya se han realizado análisis
con datos de ANTARES, pero hasta ahora no se han encontrado las señales
que buscamos. La construcción de KM3NeT mejorará notablemente nuestra
capacidad para estas búsquedas, de manera que quizá en los próximos años
podamos desentrañar este misterio.
SINC
La detección de la primera fuente de estas partículas puede considerarse como un nuevo éxito de la «astronomía multimensajero»
Hasta hace poco, la única forma que teníamos para conocer detalles y características del Universo y los objetos que contiene era la luz. O mejor dicho, las ondas electromagnéticas, de las que la luz forma parte, junto a otras longitudes de onda no visibles por el ojo humano como los infrarrojos, el ultravioleta o los rayos X o Gamma.
Gracias a instrumentos como los modernos espectrómetros, los científicos han sido capaces de «descomponer» los rayos de luz en los colores que contienen. Y resulta que cada color concreto constituye la «firma» única, o la huella digital, de un elemento de la tabla periódica. De esta forma, los astrónomos han conseguido hasta ahora saber de qué elementos está hecha una estrella o galaxia lejana. Y por el «corrimiento» de la luz hacia los extremos rojo o violeta del espectro han podido, además, averiguar si el objeto observado se acercaba o se alejaba de nosotros, y a qué velocidad.
Sin embargo, la luz en sus múltiples formas no es el único vínculo físico que nos une a las estrellas, y una «fuente» de radiación luminosa es capaz, al mismo tiempo, de emitir otros tipos de «mensajeros» además de los consabidos fotones de luz. Lo malo es que hasta ahora no habíamos sido capaces de interpretar a esos otros «mensajeros».
En febrero de 2016, la historia de la astronomía cambió para siempre con el anuncio de la primera detección confirmada de ondas gravitacionales, pequeñas ondulaciones en el tejido espaciotemporal que conforma el Universo y que son capaces de transportar todo un tesoro de información (ajena a la luz) sobre el objeto que las emite. Por primera vez, la ciencia conseguía datos concretos de un evento cósmico (la fusión de dos agujeros negros en otro mayor), sin necesidad de recurrir a las ondas electromagnéticas.
Poco tiempo después, en octubre de 2017, se produjo otro hito de la máxima importancia: la detección de un «choque» entre dos estrellas de neutrones. El evento, por primera vez en la historia de la Astronomía, se estudió observando tanto las ondas gravitacionales como las ondas electromagnéticas (luz visible y rayos gamma) producidas por el titánico encuentro. Setenta telescopios de siete países diferentes ayudaron a tener una imagen completa del extraordinario suceso. Había nacido oficialmente lo que ha dado en llamarse «astronomía multimensajero».
En cierto modo, la situación podría compararse a la de un invidente, acostumbrado a percibir el mundo a través de sus oídos, que se despertara una mañana con la capacidad de ver.
Un blazar cazado
Hoy, la detección de la primera fuente de rayos cósmicos puede considerarse como un nuevo éxito de esta nueva clase de astronomía. El blazar responsable de la emisión de rayos cósmicos, en efecto, fue "cazado" gracias a la captura de uno de los neutrinos que emite junto a los rayos cósmicos, cuya procedencia resulta indetectable. Y la fuente fue confirmada minutos más tarde gracias a la detección de un estallido de rayos gamma (ondas electromagnéticas) procedente del mismo punto del cielo que el neutrino. Es decir, para este estudio se utilizó otro tipo de "mensajero", el neutrino, en combinación con las ondas electromagnéticas. Los astrónomos llevaban desde 1912 tratando de averiguar de dónde proceden los rayos cósmicos que bombardean continuamente la Tierra.
Los distintos "mensajeros" conocidos capaces de traernos información de objetos lejanos son, pues, las ondas electromagnéticas, las ondas gravitacionales, los neutrinos y los rayos cósmicos. Se trata de tipos de emisiones muy diferentes entre sí, pero que pueden proceder de una misma fuente astrofísica. Por eso, el estudio combinado de todos ellos, o de los que sea posible para cada objeto o evento concreto que quiera estudiarse, nos brindarán la visión más rica y detallada conseguida hasta ahora.
Pensémoslo bien. Si solo estudiando la luz de las estrellas hemos conseguido llegar hasta aquí, ¿qué no seremos capaces de hacer a partir ahora con todas estas nuevas fuentes de información?
En esta representación artística, se muestra un poderoso blazar como origen del neutrino IceCube IC170922 - IceCube Collaboration/Google Earth: PGC/NASA U.S. Geological Survy Data SIO,NOAA, U.S. Navy, NGA, GEBCO Landsat/Copernicus
ABC
Un equipo internacional de científicos ha hallado los primeros indicios de una fuente de neutrinos de alta energía: una violenta galaxia activa, o blazar, a cuatro mil millones de años luz de la Tierra. Tras la detección por parte del observatorio de neutrinos IceCube el 22 de septiembre de 2017, el satélite INTEGRAL de la ESA se ha sumado a una colaboración de observatorios espaciales y terrestres que han seguido la fuente, lo que augura un futuro prometedor para la astronomía de multi-mensajeros.
Los neutrinos son partículas ‘fantasma’, casi carentes de masa [1], que viajan sin apenas obstáculos por el espacio prácticamente a la velocidad de la luz. A pesar de ser unas de las partículas más abundantes del Universo (cien billones pasan a través de nuestros cuerpos cada segundo), estas partículas subatómicas y eléctricamente neutras son dificilísimas de detectar, ya que muy raramente interactúan con la materia.
Mientras que los neutrinos primordiales se crearon durante el Big Bang, parte de estas esquivas partículas se producen de forma habitual mediante reacciones nucleares en el cosmos. La mayoría de los neutrinos que llegan a la Tierra proceden del Sol, pero se cree que aquellos que nos alcanzan con mayor energía vienen de las mismas fuentes que los rayos cósmicos, partículas altamente energéticas originadas en fuentes exóticas fuera del Sistema Solar.
A diferencia de los neutrinos, los rayos cósmicos son partículas cargadas, por lo que su trayectoria se curva hasta por los campos magnéticos más débiles. En cambio, la carga neutra de los neutrinos hace que no se vean afectados por los campos magnéticos y, al atravesar la materia casi en su totalidad, pueden servir para trazar una línea recta hasta su fuente.
Los neutrinos actúan así a modo de ‘mensajeros’, trayéndonos directamente información astronómica desde los rincones más remotos del Universo. En las últimas décadas se han construido instrumentos, tanto terrestres como espaciales, para descifrar sus mensajes, aunque detectar estas partículas no es tarea fácil. Concretamente, la fuente de neutrinos de alta energía ha permanecido hasta ahora sin demostrarse.
El 22 de septiembre de 2017, uno de estos neutrinos de alta energía llegó al observatorio IceCube [2], situado en el polo sur. El evento recibió el nombre de IceCube-170922A.
IceCube, que comprende un kilómetro cúbico de hielo prístino a gran profundidad, detecta neutrinos por medio de sus partículas secundarias, los muones. Estos muones se producen en las escasas ocasiones en que un neutrino interactúa con materia cerca del detector y crea rutas kilométricas a través de las capas de hielo antártico. La longitud de estos recorridos permite definir adecuadamente su posición, lo que posibilita la identificación en el firmamento de la fuente del neutrino progenitor.
Durante el evento del 22 de septiembre, un muon dejó 22 TeV de energía a su paso por el detector de IceCube. A partir de ahí, los científicos calcularon que la energía del neutrino progenitor era de unos 290 TeV, lo que suponía un 50 % de probabilidad de origen astrofísico más allá del Sistema Solar.
Neutrino detectado por IceCube
Cuando, como sucede en este caso, IceCube no puede identificar con claridad el origen de un neutrino, se necesita investigar la fuente con observaciones a distintas longitudes de onda. Por eso, tras la detección, los científicos de IceCube hicieron llegar las coordenadas de origen del neutrino en el firmamento, inferidas a partir de sus observaciones, a una red mundial de observatorios espaciales y terrestres que trabajan a lo largo de todo el espectro electromagnético.
Entre ellos estaban el telescopio espacial de rayos gamma Fermi, de la NASA, y los telescopios MAGIC (Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov) de La Palma, en las Islas Canarias. Al dirigir su mirada a sección del firmamento, vieron cómo el blazar conocido como TXS 0506+056 se encontraba en plena ‘llamarada’ (un periodo con una intensa emisión de alta energía) en el momento en que se detectó el neutrino en el polo sur.
Los blazares son los núcleos centrales de galaxias gigantes que albergan un agujero negro supermasivo de acreción activa, en los que la materia que gira forma un disco caliente en rotación que genera enormes cantidades de energía, junto con un par de chorros relativistas.
Estos chorros son gigantescas columnas que canalizan radiación, fotones y partículas (incluidos neutrinos y rayos cósmicos) a decenas de años luz del agujero negro central y a velocidades muy cercanas a la de la luz. Una característica específica de los blazares es que uno de estos chorros parece apuntar hacia la Tierra, por lo que su emisión se muestra especialmente brillante.
Científicos de todo el mundo comenzaron a observar este blazar (la fuente probable del neutrino detectado por IceCube) a distintas longitudes de onda, de ondas de radio a rayos gamma de alta energía. El observatorio de rayos gamma INTEGRAL de la ESA ha sido parte de esta colaboración internacional [3].
“Se trata de un hito clave para comprender cómo se producen los neutrinos de alta energía”, apunta Carlo Ferrigno, del Centro de Datos Científicos de INTEGRAL en la Universidad de Ginebra (Suiza).
“Se había llegado a afirmar que las llamaradas de los blazares estaban asociadas a la producción de neutrinos, pero esto, esta primera confirmación, es absolutamente fundamental. Estamos en una época apasionante para la astrofísica”, añade.
INTEGRAL
INTEGRAL, que estudia el firmamento rayos X duros y rayos gamma blandos, también es sensible a fuentes de alta energía transitorias que atraviesan todo el firmamento. Cuando se detectó el neutrino, INTEGRAL no registró ningún brote de rayos gamma en la posición del blazar, por lo que los científicos pudieron descartar emisiones tempranas de determinadas fuentes, como brotes de rayos gamma.
Tras la alerta por neutrino de IceCube, INTEGRAL apuntó a esta zona del firmamento en varias ocasiones entre el 30 de septiembre y el 24 de octubre de 2017 con sus instrumentos panorámicos y no observó que el blazar se encontrara en estado de emisión ni en el espectro de rayos X duros ni en el de rayos gamma blandos.
El hecho de que INTEGRAL no pudiera detectar la fuente en las observaciones de seguimiento proporcionó información significativa sobre el blazar, lo que permitió a los científicos establecer un límite superior práctico en su emisión de energía durante este periodo.
“INTEGRAL ha desempeñado un papel importante a la hora de determinar las propiedades de este blazar, pero también al permitir a los científicos excluir otras fuentes de neutrinos, como los brotes de rayos gamma”, explica Volodymyr Savchenko, del Centro de Datos Científicos de INTEGRAL, quien ha dirigido el análisis de los datos de INTEGRAL.
Con instalaciones repartidas por todo el planeta y en el espacio, los científicos ahora pueden detectar el paso de innumerables ‘mensajeros cósmicos’ a gran distancia y a velocidades elevadísimas en forma de luz, neutrinos, rayos cósmicos y hasta ondas gravitacionales.
“La capacidad de comandar globalmente telescopios con el objetivo de hacer un descubrimiento empleando distintas longitudes de onda, en cooperación con un detector de neutrinos como IceCube, constituye un hito en lo que los científicos denominan astronomía de multimensajeros”, señala Francis Halzen, de la Universidad de Wisconsin-Madison (Estados Unidos), y científico jefe de IceCube.
Al combinar la información recopilada por cada uno de estos sofisticados instrumentos para investigar una amplia variedad de procesos cósmicos, la era de la astronomía de multimensajeros realmente ha entrado en la fase de explotación científica.
Los telescopios espaciales de alta energía de la ESA están totalmente integrados en esta red de grandes colaboraciones de multimensajeros, como se ha demostrado durante la reciente detección de ondas gravitacionales con un brote de rayos gamma (este último, detectado por INTEGRAL) liberado por la colisión de dos estrellas de neutrones, y en la posterior campaña de seguimiento, con contribuciones de INTEGRAL y del observatorio de rayos X XMM-Newton.
La puesta en común de recursos procedentes de estos y otros observatorios es clave para el futuro de la astrofísica, ya que aumentará nuestra capacidad de descifrar los mensajes que nos llegan de todo el Universo.
“INTEGRAL es el único observatorio disponible en el rango de los rayos X duros y rayos gamma blandos con capacidad de realizar imágenes y espectroscopia dedicadas, y con una vista instantánea de todo el firmamento en cualquier momento”, reconoce Erik Kuulkers, científico del proyecto INTEGRAL de la ESA.
“Tras más de quince años de operaciones, INTEGRAL sigue a la vanguardia de la astrofísica de alta energía”.
[1] Descrito por Frederick Reines, uno de los científicos responsables de la primera detección de neutrinos, como “... la más diminuta cantidad de realidad nunca imaginada por un ser humano”, se calcula que un neutrino contiene una millonésima parte de la masa de un electrón.
[2] La Colaboración IceCube está financiada principalmente por la Fundación Nacional para la Ciencia (NSF) de los Estados Unidos y es operada por un equipo con sede en la Universidad de Wisconsin-Madison. Los esfuerzos de investigación, incluidas contribuciones clave al funcionamiento del detector, reciben apoyo de organismos de financiación de Alemania, Australia, Bélgica, Canadá, Dinamarca, Estados Unidos, Japón, Nueva Zelanda, Reino Unido, la República de Corea, Suecia y Suiza.
[3] Estos resultados se detallan en el artículo “Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A”, publicado en Science:
esa
Después de décadas
buscando dónde nacen los neutrinos y los rayos cósmicos más energéticos
del universo, los científicos han encontrado por fin un objeto que los
produce: un blazar,
una gigantesca galaxia con un agujero negro y un chorro de partículas
apuntando directamente hacia la Tierra. El hallazgo se ha realizado en
el observatorio IceCube de la Antártida, en colaboración con telescopios
de todo el mundo, como MAGIC en Canarias.
Un equipo internacional de científicos ha encontrado la primera evidencia de una fuente de neutrinos cósmicos de alta energía, partículas fantasmales sin carga y apenas masa que viajan por el universo en línea recta durante miles de millones de años luz, atravesando galaxias, estrellas y cualquier obstáculo que encuentren en su camino. Se ha encontrado la primera evidencia de una fuente de neutrinos cósmicos de alta energía: el blazar TXS 0506 + 056
Uno de estos energéticos neutrinos fue detectado el 22 de septiembre de 2017 en el entramado de sensores que tiene el observatorio IceCube bajo el hielo de la Antártida, en la estación Amundsen-Scott del Polo Sur. En seguida mandaron una alerta a astrofísicos de todo el mundo para que dirigieran sus telescopios a la fuente de donde parecía proceder la partícula, y la encontraron.
Se trata del blazar TXS 0506 + 056, situado en la constelación de Orión a unos 4.000 millones de años luz de nosotros. Este tipo de objetos son galaxias gigantescas con un agujero negro girando en su interior y que, además, emiten un chorro o jet de partículas apuntando directamente hacia la Tierra.
El gran descubrimiento, presentado hoy en rueda de prensa por la Fundación Nacional de Ciencia (NSF) de Estados Unidos y publicado en dos artículos de la revista Science, también ayuda a resolver un misterio centenario sobre el origen de los rayos cósmicos, partículas muy energéticas que bombardean continuamente la Tierra desde el espacio.
Santander también destaca que el hallazgo abre la puerta para a usar los neutrinos en la observación del universo: "Estamos empezando a hacer astronomía utilizando otros medios además de la luz, combinando las observaciones electromagnéticas (obtenidas con telescopios ópticos, de radio, rayos X, etc.) con otras mediciones en lo que ahora llamamos astronomía multimensajero. Ya está aquí la era de la astrofísica de múltiples mensajeros, con la radiación electromagnética, las ondas gravitacionales y ahora los neutrinos
Esta es la primera evidencia que tenemos de una galaxia activa emitiendo neutrinos, lo que significa que pronto podremos comenzar a observar el cosmos usando los neutrinos para aprender más sobre estos objetos en formas que serían imposibles solo con la luz".
El científico principal del observatorio IceCube, Francis Halzen, profesor de física de la Universidad de Wisconsin-Madison, también lo destaca: "La capacidad de reunir telescopios en todo el mundo para hacer un descubrimiento, usando una variedad de longitudes de onda y junto con un detector de neutrinos como IceCube, marca un hito en la denominada astronomía de múltiples mensajes".
De hecho, las emisiones del blazar TXS 0506 + 056 se han analizado con este tipo de nueva astronomía. Cuando el neutrino de alta energía chocó contra un núcleo atómico en el detector de IceCube, un evento conocido como IC170922A, en menos de un minuto se transmitieron las coordenadas a la comunidad científica internacional.
Fueron especialmente relevantes las observaciones del telescopio espacial Fermi de la NASA y el Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC), localizado en la isla canaria de La Palma, que registraron los destellos de rayos gamma de alta energía asociados al blazar. Este tipo de objeto es lo suficientemente potente como para acelerar los rayos cósmicos de alta energía y los neutrinos asociados.
Hasta ahora se conocían solo dos fuentes de neutrinos, aunque mucho menos energéticos: los procedente del Sol y de una supernova cercana. Sobre los de alta energía, se especulaba que podrían proceder de eventos mucho más violentos del cosmos, como galaxias en colisión y núcleos galácticos activos. Curiosamente, los blazars, no eran uno de los candidatos principales. "Había un consenso general de que los blazars probablemente no eran fuentes de rayos cósmicos, pero aquí estamos"
Los rayos cósmicos son básicamente protones o núcleos atómicos. Las partículas se envían a toda velocidad a través del universo debido a que las galaxias donde se crean actúan de la misma forma que los aceleradores de partículas en la Tierra, aunque a una escala mucho mayor. De hecho, el neutrino detectado en IceCube tenía una energía de casi 300 TeV. Por comparar, la energía de los protones que circulan en el gran colisionador de hadrones del CERN ronda los 6,5 TeV.
Una revisión de registros anteriores
Después de la detección del 22 de septiembre, el equipo IceCube, que viene detectando neutrinos cósmicos desde 2013, echó la vista atrás y rastreó rápidamente los datos archivados del detector, descubriendo que, entre finales de 2014 y principios de 2015, la procedencia de más de una docena de neutrinos astrofísicos coincidía con el mismo blazar TXS 0506 + 056. "Este resultado es histórico. Estamos viviendo una década histórica en el estudio del universo", afirma Carlos Pobes
Esa observación independiente, publicada en el segundo artículo de Science, fortalece en gran medida la detección inicial de un solo neutrino de alta energía y se suma a un conjunto de datos que indica que este blazar es el primer acelerador conocido de neutrinos y rayos cósmicos de alta energía.
Para el físico español Carlos Pobes, que en 2012 trabajó en IceCube y ahora en la Universidad de Zaragoza, “este resultado es histórico, y aunque es verdad que últimamente estamos asistiendo a muchos acontecimientos 'históricos', como los últimos resultados con ondas gravitacionales, la verdad es que todos lo son. Estamos viviendo una década histórica en el estudio del universo, siendo testigos del nacimiento de la astronomía con multimensajeros”.
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Un equipo internacional de científicos ha encontrado la primera evidencia de una fuente de neutrinos cósmicos de alta energía, partículas fantasmales sin carga y apenas masa que viajan por el universo en línea recta durante miles de millones de años luz, atravesando galaxias, estrellas y cualquier obstáculo que encuentren en su camino. Se ha encontrado la primera evidencia de una fuente de neutrinos cósmicos de alta energía: el blazar TXS 0506 + 056
Uno de estos energéticos neutrinos fue detectado el 22 de septiembre de 2017 en el entramado de sensores que tiene el observatorio IceCube bajo el hielo de la Antártida, en la estación Amundsen-Scott del Polo Sur. En seguida mandaron una alerta a astrofísicos de todo el mundo para que dirigieran sus telescopios a la fuente de donde parecía proceder la partícula, y la encontraron.
Se trata del blazar TXS 0506 + 056, situado en la constelación de Orión a unos 4.000 millones de años luz de nosotros. Este tipo de objetos son galaxias gigantescas con un agujero negro girando en su interior y que, además, emiten un chorro o jet de partículas apuntando directamente hacia la Tierra.
El gran descubrimiento, presentado hoy en rueda de prensa por la Fundación Nacional de Ciencia (NSF) de Estados Unidos y publicado en dos artículos de la revista Science, también ayuda a resolver un misterio centenario sobre el origen de los rayos cósmicos, partículas muy energéticas que bombardean continuamente la Tierra desde el espacio.
“Los rayos cósmicos tienen carga eléctrica y sus trayectorias son desviadas por los campos magnéticos, de manera, que al llegar a la Tierra no ‘apuntan’ en la dirección de la fuente que los emitió”, explica a Sinc uno de los coautores del descubrimiento, Marcos Santander, profesor de la Universidad de Alabama (EE UU). “Esto hace que, aunque conocemos de la existencia de los rayos cósmicos desde hace más de 100 años, todavía no sabemos a ciencia cierta de donde provienen”. El hallazgo ha sido posible gracias al IceCube, un detector situado en la Antártida
“Sin embargo –añade– una forma de resolver esta cuestión es usar neutrinos, ya que estos son producidos una vez que los rayos cósmicos interactúan con gas o fotones en su camino. Como los neutrinos son partículas neutras, su camino no es afectado por los campos magnéticos y si detectamos una fuente de neutrinos, como de la que ahora tenemos evidencia, podemos concluir que es también una fuente de rayos cósmicos”.Astronomía multimensajero
Santander también destaca que el hallazgo abre la puerta para a usar los neutrinos en la observación del universo: "Estamos empezando a hacer astronomía utilizando otros medios además de la luz, combinando las observaciones electromagnéticas (obtenidas con telescopios ópticos, de radio, rayos X, etc.) con otras mediciones en lo que ahora llamamos astronomía multimensajero. Ya está aquí la era de la astrofísica de múltiples mensajeros, con la radiación electromagnética, las ondas gravitacionales y ahora los neutrinos
Esta es la primera evidencia que tenemos de una galaxia activa emitiendo neutrinos, lo que significa que pronto podremos comenzar a observar el cosmos usando los neutrinos para aprender más sobre estos objetos en formas que serían imposibles solo con la luz".
El científico principal del observatorio IceCube, Francis Halzen, profesor de física de la Universidad de Wisconsin-Madison, también lo destaca: "La capacidad de reunir telescopios en todo el mundo para hacer un descubrimiento, usando una variedad de longitudes de onda y junto con un detector de neutrinos como IceCube, marca un hito en la denominada astronomía de múltiples mensajes".
IceCube
"La era de la astrofísica de varios mensajeros está aquí", insiste por su parte el director de la NSF, France Córdova. "Cada mensajero, desde la radiación electromagnética, las ondas gravitacionales y ahora los neutrinos, nos proporciona una comprensión más completa del universo y nuevos conocimientos importantes sobre los objetos y eventos más poderosos del cielo. Estos avances solo son posibles a través de un largo compromiso a largo plazo con la investigación fundamental y la inversión en excelentes instalaciones de investigación". Este tipo de objeto es lo suficientemente potente como para acelerar los rayos cósmicos de alta energía y los neutrinos asociados
De hecho, las emisiones del blazar TXS 0506 + 056 se han analizado con este tipo de nueva astronomía. Cuando el neutrino de alta energía chocó contra un núcleo atómico en el detector de IceCube, un evento conocido como IC170922A, en menos de un minuto se transmitieron las coordenadas a la comunidad científica internacional.
Fueron especialmente relevantes las observaciones del telescopio espacial Fermi de la NASA y el Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC), localizado en la isla canaria de La Palma, que registraron los destellos de rayos gamma de alta energía asociados al blazar. Este tipo de objeto es lo suficientemente potente como para acelerar los rayos cósmicos de alta energía y los neutrinos asociados.
IceCube
Hasta ahora se conocían solo dos fuentes de neutrinos, aunque mucho menos energéticos: los procedente del Sol y de una supernova cercana. Sobre los de alta energía, se especulaba que podrían proceder de eventos mucho más violentos del cosmos, como galaxias en colisión y núcleos galácticos activos. Curiosamente, los blazars, no eran uno de los candidatos principales. "Había un consenso general de que los blazars probablemente no eran fuentes de rayos cósmicos, pero aquí estamos"
"Había un consenso general de que los blazars probablemente no eran fuentes de rayos cósmicos, pero aquí estamos", reconoce Halzen, “y ahora hemos identificado al menos una fuente que genera rayos cósmicos de alta energía porque produce neutrinos cósmicos. Los neutrinos son los productos de desintegración de los piones (un tipo de partículas ligeras), y para producirlos se necesita un acelerador de protones".
Los rayos cósmicos son básicamente protones o núcleos atómicos. Las partículas se envían a toda velocidad a través del universo debido a que las galaxias donde se crean actúan de la misma forma que los aceleradores de partículas en la Tierra, aunque a una escala mucho mayor. De hecho, el neutrino detectado en IceCube tenía una energía de casi 300 TeV. Por comparar, la energía de los protones que circulan en el gran colisionador de hadrones del CERN ronda los 6,5 TeV.
Una revisión de registros anteriores
Después de la detección del 22 de septiembre, el equipo IceCube, que viene detectando neutrinos cósmicos desde 2013, echó la vista atrás y rastreó rápidamente los datos archivados del detector, descubriendo que, entre finales de 2014 y principios de 2015, la procedencia de más de una docena de neutrinos astrofísicos coincidía con el mismo blazar TXS 0506 + 056. "Este resultado es histórico. Estamos viviendo una década histórica en el estudio del universo", afirma Carlos Pobes
Esa observación independiente, publicada en el segundo artículo de Science, fortalece en gran medida la detección inicial de un solo neutrino de alta energía y se suma a un conjunto de datos que indica que este blazar es el primer acelerador conocido de neutrinos y rayos cósmicos de alta energía.
Para el físico español Carlos Pobes, que en 2012 trabajó en IceCube y ahora en la Universidad de Zaragoza, “este resultado es histórico, y aunque es verdad que últimamente estamos asistiendo a muchos acontecimientos 'históricos', como los últimos resultados con ondas gravitacionales, la verdad es que todos lo son. Estamos viviendo una década histórica en el estudio del universo, siendo testigos del nacimiento de la astronomía con multimensajeros”.
“Me complace especialmente pensar que este descubrimiento acerca a Francis Halzen un poquito más a un Nobel, que sería muy merecido –subraya el investigador–. Ya es de por sí increíble que concibiese este telescopio en un lugar tan remoto como el Polo Sur, pero construirlo con éxito y que esté dando estos resultados es algo maravilloso”.
El observatorio de neutrinos IceCube
La detección de neutrinos de alta energía requiere un detector gigante. IceCube es, en volumen, el detector de neutrinos más grande del mundo. Está enterrado a profundidades de entre 1,5 y 2,5 kilómetros bajo una estación antártica en el Polo Sur.
La única instalación visible en la superficie es el IceCube Lab (ICL), que aloja las computadoras que recogen los datos de los más de 5.000 módulos ópticos digitales (DOM), unos sensores esféricos de unos 35 cm de diámetro distribuidos en red por el hielo, junto a tubos fotomultiplicadores.
Cuando un neutrino interactúa con el núcleo de un átomo, crea una partícula secundaria cargada que, a su vez, genera un cono característico de luz azul que IceCube detecta y mapea a través de la red del detector. Como la partícula cargada y la luz que genera permanecen fieles a la dirección del neutrino, esto indica a los científicos el camino a seguir hacia la fuente.
IceCube monitorea continuamente el cielo, incluso hacia el cielo del hemisferio norte a través de la Tierra, registrando un neutrino cada pocos minutos.
La mayoría son de baja energía, creados por fenómenos comunes, como los formados durante las lluvias de partículas subatómicas por los rayos cósmicos que se estrellan contra los núcleos atómicos de la atmósfera de la Tierra.
En la colaboración internacional IceCube que opera este observatorio participan cerca de 300 físicos e ingenieros de 48 instituciones en 12 países, bajo el liderazgo de la Universidad de Wisconsin-Madison (EE UU) y con el apoyo financiero de la Fundación Nacional de Ciencias de EE UU.
La detección de neutrinos de alta energía requiere un detector gigante. IceCube es, en volumen, el detector de neutrinos más grande del mundo. Está enterrado a profundidades de entre 1,5 y 2,5 kilómetros bajo una estación antártica en el Polo Sur.
La portada de Science ilustra los DOM de IceCube.
La única instalación visible en la superficie es el IceCube Lab (ICL), que aloja las computadoras que recogen los datos de los más de 5.000 módulos ópticos digitales (DOM), unos sensores esféricos de unos 35 cm de diámetro distribuidos en red por el hielo, junto a tubos fotomultiplicadores.
Cuando un neutrino interactúa con el núcleo de un átomo, crea una partícula secundaria cargada que, a su vez, genera un cono característico de luz azul que IceCube detecta y mapea a través de la red del detector. Como la partícula cargada y la luz que genera permanecen fieles a la dirección del neutrino, esto indica a los científicos el camino a seguir hacia la fuente.
IceCube monitorea continuamente el cielo, incluso hacia el cielo del hemisferio norte a través de la Tierra, registrando un neutrino cada pocos minutos.
La mayoría son de baja energía, creados por fenómenos comunes, como los formados durante las lluvias de partículas subatómicas por los rayos cósmicos que se estrellan contra los núcleos atómicos de la atmósfera de la Tierra.
En la colaboración internacional IceCube que opera este observatorio participan cerca de 300 físicos e ingenieros de 48 instituciones en 12 países, bajo el liderazgo de la Universidad de Wisconsin-Madison (EE UU) y con el apoyo financiero de la Fundación Nacional de Ciencias de EE UU.
Solo un 5% de nuestro
universo está constituido por materia ‘ordinaria’, la que supuestamente
conocemos, pero incluso este pequeño porcentaje es difícil de rastrear.
Hace décadas que los astrónomos buscan donde se esconden en el cosmos
más de la mitad de los bariones, partículas como los neutrones y
protones, y con la ayuda del observatorio espacial XMM-Newton de rayos X
los han encontrado: en el ardiente gas intergaláctico.
Las misteriosas energía y materia oscuras constituyen, respectivamente, el 70% y el 25% del universo. El resto, la materia común que compone todo lo que vemos, desde las estrellas y galaxias hasta los planetas y nosotros mismos, representa tan solo un 5%.
Los astrónomos han calculado que ese es el porcentaje de materia ordinaria, formada básicamente por bariones (partículas con tres quarks como los neutrones y protones), a partir de las observaciones del fondo cósmico de microondas, la luz más antigua en la historia del cosmos originada unos 380.000 años después del Big Bang.
Las observaciones de galaxias muy distantes permiten seguir la evolución de esta materia durante el primer par de miles de millones de años del universo. Sin embargo, justo después más de la mitad desaparece.
Se estima que las estrellas y el gas interestelar frío –su materia prima– que impregna las galaxias no alcanzan el 10% de la materia común. Sumando el gas caliente difuso de los halos que rodean las galaxias y el todavía más caliente que rellena los cúmulos galácticos –las estructuras cósmicas más grandes que se mantienen unidas por la gravedad–, el porcentaje no llega al 20%.
Esta pequeña proporción no debe sorprender. Las estrellas, galaxias y los cúmulos galácticos se forman en los nudos más densos de la red cósmica, ese entramado de filamentos de materia oscura y ordinaria que se extiende por todo el universo. Aunque estas zonas son densas, también son raras, por lo que no son los mejores sitios para encontrar la mayor parte de la materia cósmica.
En busca de los bariones perdidos
Los astrónomos pensaron entonces que los bariones ‘desaparecidos’ debían estar en los ubicuos filamentos de la red cósmica, donde, sin embargo, la materia es menos densa, y por tanto, más difícil de observar. Utilizando diferentes técnicas, pudieron localizar una buena porción de este material intergaláctico, principalmente sus componentes fríos y cálido (gas a cientos de miles de grados), elevando el porcentaje total a un respetable 60%, pero dejando el misterio general sin resolver. ¿Dónde está el otro 40%?
Fabrizio y muchos otros astrónomos de todo el mundo han seguido las huellas de los bariones restantes durante casi dos décadas, desde que los observatorios de rayos X como XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea (ESA) y Chandra de la NASA se pusieron a disposición de la comunidad científica.
Observando en esa franja del espectro electromagnético, fue cuando pudieron detectar gas intergaláctico realmente caliente, con temperaturas de alrededor de un millón de grados o más, que estaba bloqueando los rayos X emitidos por fuentes aún más distantes.
Para este estudio, los autores utilizaron XMM-Newton para observar un cuásar, una galaxia masiva con un agujero negro supermasivo en su centro que devora activamente materia y brilla intensamente desde los rayos X hasta las ondas de radio. Analizaron este cuásar, cuya luz tarda más de 4.000 millones de años en llegar a nosotros, durante 18 días entre 2015 y 2017, en lo que se convirtió en la observación de rayos X más larga jamás realizada de esta fuente.
Los astrónomos han utilizado el observatorio espacial XMM-Newton (abajo a la derecha) para encontrar el componente caliente del medio intergaláctico (en verde) observando un lejano cuásar (arriba a la izquierda). / ESA et al.
Comienzan nuevas búsquedas
Este extraordinario resultado supone el comienzo de una nueva búsqueda. Se necesitarán nuevas observaciones de diferentes fuentes astronómicas para confirmar si estos hallazgos son verdaderamente universales, y para investigar más a fondo el estado físico de este material tan largamente buscado.
Fabrizio y sus colegas se plantean ahora estudiar más cuásares con XMM-Newton y Chandra en los próximos años. Sin embargo, para explorar completamente la distribución y las propiedades del llamado medio intergaláctico cálido-caliente, se necesitarán instrumentos más sensibles, como el Telescopio Avanzado para la Astrofísica de Alta Energía (Athena), que la ESA tiene previsto lanzar en 2028.
esa
Las misteriosas energía y materia oscuras constituyen, respectivamente, el 70% y el 25% del universo. El resto, la materia común que compone todo lo que vemos, desde las estrellas y galaxias hasta los planetas y nosotros mismos, representa tan solo un 5%.
Los astrónomos han calculado que ese es el porcentaje de materia ordinaria, formada básicamente por bariones (partículas con tres quarks como los neutrones y protones), a partir de las observaciones del fondo cósmico de microondas, la luz más antigua en la historia del cosmos originada unos 380.000 años después del Big Bang.
Los bariones perdidos estaban en el gas intergaláctico caliente que constituye cerca del 40% de la materia ordinaria
Las observaciones de galaxias muy distantes permiten seguir la evolución de esta materia durante el primer par de miles de millones de años del universo. Sin embargo, justo después más de la mitad desaparece.
"Los bariones perdidos son uno de los mayores misterios de la astrofísica moderna", explica Fabrizio Nicastro, autor principal de un estudio publicado esta semana en Nature y en el que se ofrece una solución al problema. "Sabemos que esta materia debe estar ahí fuera, la vemos en el universo temprano, pero luego la perdemos de vista. ¿Adónde se fue?".
Se estima que las estrellas y el gas interestelar frío –su materia prima– que impregna las galaxias no alcanzan el 10% de la materia común. Sumando el gas caliente difuso de los halos que rodean las galaxias y el todavía más caliente que rellena los cúmulos galácticos –las estructuras cósmicas más grandes que se mantienen unidas por la gravedad–, el porcentaje no llega al 20%.
Esta pequeña proporción no debe sorprender. Las estrellas, galaxias y los cúmulos galácticos se forman en los nudos más densos de la red cósmica, ese entramado de filamentos de materia oscura y ordinaria que se extiende por todo el universo. Aunque estas zonas son densas, también son raras, por lo que no son los mejores sitios para encontrar la mayor parte de la materia cósmica.
En busca de los bariones perdidos
Los astrónomos pensaron entonces que los bariones ‘desaparecidos’ debían estar en los ubicuos filamentos de la red cósmica, donde, sin embargo, la materia es menos densa, y por tanto, más difícil de observar. Utilizando diferentes técnicas, pudieron localizar una buena porción de este material intergaláctico, principalmente sus componentes fríos y cálido (gas a cientos de miles de grados), elevando el porcentaje total a un respetable 60%, pero dejando el misterio general sin resolver. ¿Dónde está el otro 40%?
El descubrimiento se realizó utilizando observaciones de un cuásar distante, una galaxia con un agujero negro supermasivo que devora materia y brilla
Fabrizio y muchos otros astrónomos de todo el mundo han seguido las huellas de los bariones restantes durante casi dos décadas, desde que los observatorios de rayos X como XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea (ESA) y Chandra de la NASA se pusieron a disposición de la comunidad científica.
Observando en esa franja del espectro electromagnético, fue cuando pudieron detectar gas intergaláctico realmente caliente, con temperaturas de alrededor de un millón de grados o más, que estaba bloqueando los rayos X emitidos por fuentes aún más distantes.
Para este estudio, los autores utilizaron XMM-Newton para observar un cuásar, una galaxia masiva con un agujero negro supermasivo en su centro que devora activamente materia y brilla intensamente desde los rayos X hasta las ondas de radio. Analizaron este cuásar, cuya luz tarda más de 4.000 millones de años en llegar a nosotros, durante 18 días entre 2015 y 2017, en lo que se convirtió en la observación de rayos X más larga jamás realizada de esta fuente.
Los astrónomos han utilizado el observatorio espacial XMM-Newton (abajo a la derecha) para encontrar el componente caliente del medio intergaláctico (en verde) observando un lejano cuásar (arriba a la izquierda). / ESA et al.
"Después de examinar los datos, logramos encontrar la señal del oxígeno en el gas intergaláctico caliente entre nosotros y el cuásar, en dos puntos diferentes a lo largo de la línea de visión", dice Fabrizio."Esto está sucediendo porque hay enormes reservas de material, incluido oxígeno, depositado allí, y justo en la cantidad que esperábamos, por lo que finalmente podemos completar el hueco que faltaba en el conjunto de bariones del universo".
Comienzan nuevas búsquedas
Este extraordinario resultado supone el comienzo de una nueva búsqueda. Se necesitarán nuevas observaciones de diferentes fuentes astronómicas para confirmar si estos hallazgos son verdaderamente universales, y para investigar más a fondo el estado físico de este material tan largamente buscado.
Fabrizio y sus colegas se plantean ahora estudiar más cuásares con XMM-Newton y Chandra en los próximos años. Sin embargo, para explorar completamente la distribución y las propiedades del llamado medio intergaláctico cálido-caliente, se necesitarán instrumentos más sensibles, como el Telescopio Avanzado para la Astrofísica de Alta Energía (Athena), que la ESA tiene previsto lanzar en 2028.
Para los próximos pasos en este campo se necesitará la mayor sensibilidad del telescopio Athena
"El descubrimiento con XMM-Newton de los bariones desaparecidos es un primer paso emocionante para caracterizar completamente las circunstancias y estructuras en las que se encuentran estas partículas", dice la coautora Jelle Kaastra del Instituto Holandés de Investigación Espacial.
"Para los próximos pasos necesitaremos la sensibilidad mucho mayor de Athena –añade–, que tiene como uno de sus objetivos principales el estudio del medio intergaláctico cálido-caliente, con lo que mejoraremos nuestra comprensión de cómo crecen las estructuras en la historia del universo".
"Estamos orgullosos de que XMM-Newton haya descubierto la señal débil de este evasivo material, escondido en una niebla caliente de un millón de grados que se extiende por el espacio intergaláctico a lo largo de cientos de miles de años luz", destaca Norbert Schartel, uno de los científicos que trabaja con este telescopio en la ESA, quien concluye: "Ahora que sabemos que estos bariones ya no están perdidos, no podemos esperar para estudiarlos con gran detalle".
esa
Utilizan el Gran Telescopio Canarias (GTC) para calcular la
distancia a la que se encuentra el objeto que emitió el neutrino
extremadamente energético detectado el pasado mes de septiembre gracias
al experimento “IceCube”, instalado en la Antártida.
Existe un tipo de galaxias que se denominan activas (AGN) de las que, además de la luz de las estrellas que las componen, recibimos radiación en todas las frecuencias del espectro (desde ondas de radio hasta rayos gamma, pasando, por supuesto, por la luz que emiten las estrellas que las componen). Los procesos físicos que tienen lugar en el núcleo de estas galaxias son tan extremos que producen muchas otras partículas altamente energéticas, como es el caso de los neutrinos. Estas son las partículas subatómicas más abundantes en el Universo, que están en todas partes, pero son muy escurridizas. Aunque estén bombardeando constantemente la Tierra, moviéndose tan veloces como la luz, no podemos verlas ni sentirlas. Son partículas “fantasmas” porque casi nunca interaccionan con la materia y, sin embargo, son fundamentales para comprender las leyes de la naturaleza. Detectar neutrinos requiere, por lo tanto, instrumentos especiales, como el experimento IceCube, instalado en el Polo Sur, que utiliza un enorme cubo de hielo, con un tamaño de 1 km de largo, 1 km de ancho y 1 km de profundidad, como sensor para localizar estas partículas.
El 22 de septiembre de 2017, los investigadores de este particular observatorio anunciaron la detección de un neutrino extremadamente energético que procedía de un lugar externo a la Vía Láctea. La noticia se extendió rápidamente provocando una carrera para identificar la fuente responsable de esta emisión, que por la gran energía del neutrino detectado tenía que ser una galaxia activa capaz de emitir rayos gamma. El satélite FERMI y el telescopio MAGIC, instalado en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma), fueron los primeros en activarse para buscar fuentes de este tipo de radiación dentro de la región del cielo esperada. Descubrieron que la galaxia activa TXS 0506 + 056 era la responsable de esta emisión y, por primera vez, fue posible asociar la emisión de neutrinos extragalácticos a una fuente conocida. Sin embargo, se desconocía la distancia a la que se encontraba, por lo que todavía no se podía deducir la luminosidad de la fuente, ni los procesos físicos responsables de la emisión de neutrinos.
Para medirla, eran necesarias observaciones espectroscópicas con telescopios "convencionales”, pero todos los intentos fallaron porque su señal era demasiado tenue. De manera que un equipo de investigadores liderado por la astrofísica Simona Paiano, del Observatorio de Padova del INAF (Instituto Nazionale di Astrofisica) y por Riccardo Scarpa, astrónomo del GTC, decidieron observar esta fuente con el mayor telescopio óptico-infrarrojo del mundo, es decir el Gran Telescopio Canarias, en La Palma. Los resultados se han publicado recientemente en la revista The Astrophysical Journal.
IAC
Existe un tipo de galaxias que se denominan activas (AGN) de las que, además de la luz de las estrellas que las componen, recibimos radiación en todas las frecuencias del espectro (desde ondas de radio hasta rayos gamma, pasando, por supuesto, por la luz que emiten las estrellas que las componen). Los procesos físicos que tienen lugar en el núcleo de estas galaxias son tan extremos que producen muchas otras partículas altamente energéticas, como es el caso de los neutrinos. Estas son las partículas subatómicas más abundantes en el Universo, que están en todas partes, pero son muy escurridizas. Aunque estén bombardeando constantemente la Tierra, moviéndose tan veloces como la luz, no podemos verlas ni sentirlas. Son partículas “fantasmas” porque casi nunca interaccionan con la materia y, sin embargo, son fundamentales para comprender las leyes de la naturaleza. Detectar neutrinos requiere, por lo tanto, instrumentos especiales, como el experimento IceCube, instalado en el Polo Sur, que utiliza un enorme cubo de hielo, con un tamaño de 1 km de largo, 1 km de ancho y 1 km de profundidad, como sensor para localizar estas partículas.
El 22 de septiembre de 2017, los investigadores de este particular observatorio anunciaron la detección de un neutrino extremadamente energético que procedía de un lugar externo a la Vía Láctea. La noticia se extendió rápidamente provocando una carrera para identificar la fuente responsable de esta emisión, que por la gran energía del neutrino detectado tenía que ser una galaxia activa capaz de emitir rayos gamma. El satélite FERMI y el telescopio MAGIC, instalado en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma), fueron los primeros en activarse para buscar fuentes de este tipo de radiación dentro de la región del cielo esperada. Descubrieron que la galaxia activa TXS 0506 + 056 era la responsable de esta emisión y, por primera vez, fue posible asociar la emisión de neutrinos extragalácticos a una fuente conocida. Sin embargo, se desconocía la distancia a la que se encontraba, por lo que todavía no se podía deducir la luminosidad de la fuente, ni los procesos físicos responsables de la emisión de neutrinos.
Para medirla, eran necesarias observaciones espectroscópicas con telescopios "convencionales”, pero todos los intentos fallaron porque su señal era demasiado tenue. De manera que un equipo de investigadores liderado por la astrofísica Simona Paiano, del Observatorio de Padova del INAF (Instituto Nazionale di Astrofisica) y por Riccardo Scarpa, astrónomo del GTC, decidieron observar esta fuente con el mayor telescopio óptico-infrarrojo del mundo, es decir el Gran Telescopio Canarias, en La Palma. Los resultados se han publicado recientemente en la revista The Astrophysical Journal.
"Gracias a la enorme área colectora de luz del GTC, y después de dedicar varias horas de observación, pudimos detectar los rasgos típicos de la emisión del gas de la galaxia, y con ello determinar su distancia", explica Paiano. De esta manera, consiguieron situar a esta galaxia activa a una distancia de 6.000 millones de años luz de la Tierra. "Vimos la débil emisión del gas donde otros no vieron nada, un resultado que no habría sido posible sin la potencia del GTC y la experiencia de su personal", añade Scarpa.
“La asociación fidedigna de una fuente como un emisor de neutrinos de energía extremadamente alta, ubicada a miles de millones de años luz de distancia, abre una nueva ventana en Astronomía para estudiar el Universo de las más altas energías y, lo más importante, utilizar un mensajero que no sea la luz", concluye Simona Paiano.
- Artículo: Paiano, S. et al. The redshift of the BL Lac object TXS 0506+056, The Astrophysical Journal Letters. http://lanl.arxiv.org/pdf/1802.01939v1
IAC
La materia oscura es cada vez desconcertante. Físicos de todas partes
del mundo han estado intentando durante décadas determinar la
naturaleza de estas raras partículas de materia, que no emiten ni
reflejan radiación electromagnética y que por tanto son indetectables,
al menos directamente, para telescopios y radiotelescopios.
Imagen en rayos X del cúmulo galáctico
de Perseo, a aproximadamente 240 millones de años-luz de la Tierra. La
radiación X emitida por las galaxias y los cúmulos galácticos presenta
todavía numerosos cabos sueltos para los astrofísicos. Resolver algunos
de ellos podría proporcionar pistas sobre la naturaleza de la misteriosa
materia oscura. (Foto: NASA)
La existencia de la materia oscura fue sugerida en la década de 1930
para explicar ciertas observaciones astronómicas que parecían
imposibles: los movimientos de bastantes objetos astronómicos denotaban
la acción de una fuerza de gravedad muy superior a la aportada por la
materia normal. Esa masa extra debía por tanto corresponder a materia
que no se podía ver en la banda de la luz y en ninguna otra del espectro
electromagnético.
Entre las muchas evidencias de esta "influencia fantasma" cabe citar
el movimiento orbital de las estrellas alrededor de los centros de sus
respectivas galaxias. Dicho movimiento no concuerda con el calculado a
partir de la presencia exclusiva de materia normal y solo se explica con
la presencia de materia adicional, la oscura.
Esta misteriosa materia extra escondida, distribuida de un modo que
tampoco se corresponde con la simple presencia de agujeros negros
convencionales, es la responsable de que las galaxias no se fragmenten
en tiras cuando giran sobre sí mismas. En otras palabras, no hay
suficiente materia normal en el universo para generar la cantidad de
gravedad necesaria para evitar que las galaxias se disgreguen en
jirones.
A partir de análisis de esa influencia gravitatoria extra ejercida
por la masa de la materia oscura, se ha calculado qué porcentaje de la
masa del universo es aportado por la materia normal y cuál es por tanto
atribuible a la oscura. La materia normal, como la que da forma a las
estrellas y la Tierra, constituye aproximadamente el 15 por ciento de
toda la materia del universo. Así pues, la materia oscura debe
representar el 85 por ciento restante. Pero hasta la fecha, y a pesar de
las exhaustivas investigaciones realizadas, todavía no se ha conseguido
identificar a las partículas constituyentes.
El equipo de Joachim Kopp, de la Universidad Johannes Gutenberg de
Maguncia, en Alemania, presenta ahora una teoría novedosa sobre la
materia oscura, que implica que sus partículas podrían ser muy distintas
de lo que se ha venido creyendo. Concretamente, las partículas de
materia oscura serían muy ligeras, casi cien veces más que los
electrones, en marcado contraste con los numerosos modelos
convencionales según los cuales las partículas de materia oscura son muy
pesadas.
Entre las candidatas favoritas a partícula de la materia oscura
destacan las llamadas partículas masivas de interacción débil (WIMPs por
sus siglas en inglés). La comunidad científica las está buscando en el
laboratorio subterráneo italiano del Gran Sasso, por ejemplo. Pero en
los últimos tiempos, aumentan año tras año los indicios de que es
improbable que las WIMPs sean candidatas viables a partículas de la
materia oscura. Parece pues que hay que comenzar a considerar otras
alternativas, tal como subraya el profesor Kopp, y estas probablemente
se ajusten más al mencionado retrato robot de una partícula casi cien
veces más ligera que el electrón.
NCYT
Un inmenso detector en el Polo Sur descubre que nuestro planeta puede absorber algunas de estas misteriosas partículas de alta energía. Pese a lo que se creía, no siempre pueden pasar a través de todo
Los neutrinos son unas partículas más pequeñas que un átomo que suponen un componente fundamental del Universo y nos atraviesan por trillones cada segundo casi a la velocidad de la luz y sin que nos demos cuenta. La mayoría de los que llegan a nuestro planeta proceden del Sol o de la atmósfera, y solo unos pocos, los de mayor energía, se originan más lejos, incluso en los cúmulos de las galaxias. El equipo del experimento IceCube, un inmenso observatorio enterrado bajo el hielo de la Antártida, anunció en 2013 la primera detección de esos neutrinos de origen extraterrestre. El hallazgo fue considerado toda una hazaña, ya que se creía que estas partículas casi sin masa y que carecen de carga actuaban de una forma fantasmal, sin apenas interaccionar con la materia ni dejar rastro a su paso. Sin embargo, seguían siendo un misterio: ¿había algo que pudiera detenerlas?
La respuesta, obtenida ahora por el mismo detector del Polo Sur, es sí. Al menos, de vez en cuando. En un nuevo experimento, el IceCub ha demostrado que los neutrinos de muy alta energía pueden interactuar con la materia y «ser absorbidos por algo, en este caso, la Tierra» en vez de seguir transitando por el Cosmos como si tal cosa, explica Doug Cowen, profesor de astrofísica en la Universidad Estatal de Pensilvania (EE.UU.). Los resultados, publicados en la revista «Nature», se basan en un año de datos de aproximadamente 10.800 interacciones relacionadas con neutrinos.
Instalación del observatorio IceCub - NSF/B.GudbjartssonEl IceCube está compuesto por 5.160 sensores del tamaño de un balón de baloncesto llamados módulos ópticos digitales, suspendidos de 86 cables de acero embebidos en un kilómetro cúbico de hielo. Los sensores no observan directamente los neutrinos, sino que registran unos diminutos fogonazos de luz azul, conocidos como radiación Cherenkov, que se producen cuando estas partículas chocan con el hielo. Al medir los patrones de luz, el IceCube puede estimar las energías de los neutrinos y su dirección.
La mayoría de los neutrinos seleccionados para este estudio fueron creados cuando rayos cósmicos de alta energía chocan contra los núcleos de nitrógeno u oxígeno en la atmósfera de la Tierra. Son más de un millón de veces más energéticos que los producidos por otras fuentes más familiares, como el Sol o los reactores nucleares. El análisis también incluyó una pequeña cantidad de neutrinos que se producen fuera de la atmósfera desde aceleradores cósmicos no identificados hasta la fecha, quizás agujeros negros supermasivos.
De esta forma, el equipo internacional de IceCube descubrió que menos de los neutrinos más energéticos que tenían que atravesar la Tierra desde el hemisferio norte, incluido el denso núcleo del planeta, llegaban hasta el Polo Sur. Es decir, al contrario de lo que se creía hasta ahora, algunos se quedaban por el camino, absorbidos por nuestro mundo.
Una nueva física
Según los autores del estudio, los resultados del experimento son completamente consistentes con el Modelo Estándar de Física de Partículas, la teoría reinante que durante el último medio siglo ha descrito todas las fuerzas físicas en el Universo excepto la gravedad. «Por supuesto, esperábamos que apareciera alguna nueva física, pero lamentablemente encontramos que el modelo estándar, como de costumbre, resiste la prueba», afirma Francis Halzen, profesor de de la Universidad de Wisconsin-Madison e investigador principal de IceCube.
Quizás haya una oportunidad más adelante. Los físicos esperan repetir el estudio de forma ampliada y observar rangos más altos de energías de los neutrinos en busca de pistas que quizás entonces sí les lleven más allá de la física conocida. Además, el estudio también es de interés para los geofísicos a los que les gustaría utilizar los neutrinos para obtener imágenes del interior de la Tierra a fin de explorar los límites de su núcleo.
ABC
Los neutrinos son unas partículas más pequeñas que un átomo que suponen un componente fundamental del Universo y nos atraviesan por trillones cada segundo casi a la velocidad de la luz y sin que nos demos cuenta. La mayoría de los que llegan a nuestro planeta proceden del Sol o de la atmósfera, y solo unos pocos, los de mayor energía, se originan más lejos, incluso en los cúmulos de las galaxias. El equipo del experimento IceCube, un inmenso observatorio enterrado bajo el hielo de la Antártida, anunció en 2013 la primera detección de esos neutrinos de origen extraterrestre. El hallazgo fue considerado toda una hazaña, ya que se creía que estas partículas casi sin masa y que carecen de carga actuaban de una forma fantasmal, sin apenas interaccionar con la materia ni dejar rastro a su paso. Sin embargo, seguían siendo un misterio: ¿había algo que pudiera detenerlas?
La respuesta, obtenida ahora por el mismo detector del Polo Sur, es sí. Al menos, de vez en cuando. En un nuevo experimento, el IceCub ha demostrado que los neutrinos de muy alta energía pueden interactuar con la materia y «ser absorbidos por algo, en este caso, la Tierra» en vez de seguir transitando por el Cosmos como si tal cosa, explica Doug Cowen, profesor de astrofísica en la Universidad Estatal de Pensilvania (EE.UU.). Los resultados, publicados en la revista «Nature», se basan en un año de datos de aproximadamente 10.800 interacciones relacionadas con neutrinos.
Instalación del observatorio IceCub - NSF/B.GudbjartssonEl IceCube está compuesto por 5.160 sensores del tamaño de un balón de baloncesto llamados módulos ópticos digitales, suspendidos de 86 cables de acero embebidos en un kilómetro cúbico de hielo. Los sensores no observan directamente los neutrinos, sino que registran unos diminutos fogonazos de luz azul, conocidos como radiación Cherenkov, que se producen cuando estas partículas chocan con el hielo. Al medir los patrones de luz, el IceCube puede estimar las energías de los neutrinos y su dirección. La mayoría de los neutrinos seleccionados para este estudio fueron creados cuando rayos cósmicos de alta energía chocan contra los núcleos de nitrógeno u oxígeno en la atmósfera de la Tierra. Son más de un millón de veces más energéticos que los producidos por otras fuentes más familiares, como el Sol o los reactores nucleares. El análisis también incluyó una pequeña cantidad de neutrinos que se producen fuera de la atmósfera desde aceleradores cósmicos no identificados hasta la fecha, quizás agujeros negros supermasivos.
De esta forma, el equipo internacional de IceCube descubrió que menos de los neutrinos más energéticos que tenían que atravesar la Tierra desde el hemisferio norte, incluido el denso núcleo del planeta, llegaban hasta el Polo Sur. Es decir, al contrario de lo que se creía hasta ahora, algunos se quedaban por el camino, absorbidos por nuestro mundo.
Una nueva física
Según los autores del estudio, los resultados del experimento son completamente consistentes con el Modelo Estándar de Física de Partículas, la teoría reinante que durante el último medio siglo ha descrito todas las fuerzas físicas en el Universo excepto la gravedad. «Por supuesto, esperábamos que apareciera alguna nueva física, pero lamentablemente encontramos que el modelo estándar, como de costumbre, resiste la prueba», afirma Francis Halzen, profesor de de la Universidad de Wisconsin-Madison e investigador principal de IceCube.
Quizás haya una oportunidad más adelante. Los físicos esperan repetir el estudio de forma ampliada y observar rangos más altos de energías de los neutrinos en busca de pistas que quizás entonces sí les lleven más allá de la física conocida. Además, el estudio también es de interés para los geofísicos a los que les gustaría utilizar los neutrinos para obtener imágenes del interior de la Tierra a fin de explorar los límites de su núcleo.
ABC
El experimento BASE
registra la medida más precisa del momento magnético del antiprotón,
superando el anterior récord establecido hace unos meses.
El análisis sobre las propiedades de la materia y la antimateria es fundamental para comprender por qué existe un desequilibrio tan importante en las proporciones de ambas en el universo. Entre las características que podemos estimar de estas partículas destaca el momento magnético, una propiedad que determina el comportamiento de una partícula, en este caso un antiprotón, dentro de un campo magnético. Podremos entender por qué existe un desequilibrio entre materia y antimateria en el universo
Las diferentes partículas presentan comportamientos magnéticos diferentes, pero se cree que el valor del momento magnético de protones y antiprotones solo se distinguiría por el signo. Cualquier diferencia en su magnitud pondría en tela de juicio el Modelo Estándar de la Física de partículas. Conocer mejor las propiedades de la materia y de la antimateria nos permitirá en el futuro comprender uno de los misterios más importantes de la ciencia: el porqué de la asimetría entre materia y antimateria en el universo.
hipertextual
Un equipo de investigadores del CERN ha logrado determinar la medida más precisa del momento magnético del antiprotón, superando incluso la estimación realizada para la materia. Los resultados conseguidos por el experimento BASE han sido publicados en la revista Nature, mejorando por un factor de 350 la precisión de la medida lograda el pasado mes de enero. El CERN ha batido su propio récord en la medición del momento magnético del antiprotón, superando el registro obtenido en enero
"Es probablemente la primera vez que los físicos realizan una medida más precisa para la antimateria que para la materia, lo que prueba los extraordinarios avances conseguidos por el desacelerador de antiprotones del CERN", asegura Christian Smorra, primer firmante del trabajo publicado en Nature. Sus conclusiones, a juicio de Stefan Ulmer, portavoz de la colaboración BASE, suponen "la culminación de varios años de investigación continua". Se trata, además, de "una de las medidas más difíciles nunca logradas en una trampa de Penning", ha explicado el científico en un comunicado difundido por el CERN.
La trampa de Penning es un sistema que permite atrapar la antimateria cargada eléctricamente con el objetivo de estudiarla, una finalidad para la que debe mantenerse separada de la materia. En caso contrario, los antiprotones se destruirían. Los resultados obtenidos son consistentes con los momentos magnéticos del protón y del antiprotón siendo similares, con la incertidumbre experimental de que la nueva medición sobre la antimateria es significativamente más pequeña que la de los protones.
"Es probablemente la primera vez que los físicos realizan una medida más precisa para la antimateria que para la materia, lo que prueba los extraordinarios avances conseguidos por el desacelerador de antiprotones del CERN", asegura Christian Smorra, primer firmante del trabajo publicado en Nature. Sus conclusiones, a juicio de Stefan Ulmer, portavoz de la colaboración BASE, suponen "la culminación de varios años de investigación continua". Se trata, además, de "una de las medidas más difíciles nunca logradas en una trampa de Penning", ha explicado el científico en un comunicado difundido por el CERN.
La trampa de Penning es un sistema que permite atrapar la antimateria cargada eléctricamente con el objetivo de estudiarla, una finalidad para la que debe mantenerse separada de la materia. En caso contrario, los antiprotones se destruirían. Los resultados obtenidos son consistentes con los momentos magnéticos del protón y del antiprotón siendo similares, con la incertidumbre experimental de que la nueva medición sobre la antimateria es significativamente más pequeña que la de los protones.
Crédito: CERN
El análisis sobre las propiedades de la materia y la antimateria es fundamental para comprender por qué existe un desequilibrio tan importante en las proporciones de ambas en el universo. Entre las características que podemos estimar de estas partículas destaca el momento magnético, una propiedad que determina el comportamiento de una partícula, en este caso un antiprotón, dentro de un campo magnético. Podremos entender por qué existe un desequilibrio entre materia y antimateria en el universo
Las diferentes partículas presentan comportamientos magnéticos diferentes, pero se cree que el valor del momento magnético de protones y antiprotones solo se distinguiría por el signo. Cualquier diferencia en su magnitud pondría en tela de juicio el Modelo Estándar de la Física de partículas. Conocer mejor las propiedades de la materia y de la antimateria nos permitirá en el futuro comprender uno de los misterios más importantes de la ciencia: el porqué de la asimetría entre materia y antimateria en el universo.
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La colaboración
científica internacional del Observatorio Pierre Auger, en Argentina, ha
detectado que los rayos cósmicos de muy alta energía que llegan a la
Tierra proceden de fuera de nuestra galaxia. El descubrimiento resuelve
un misterio astronómico de hace más de medio siglo, pero no desvela las
fuentes que originan estas energéticas partículas.
El Observatorio Pierre Auger
CPAN
Desde que en los años sesenta se comprobó la existencia de rayos cósmicos extremadamente energéticos se ha especulado mucho sobre si estas partículas proceden tanto de nuestra propia galaxia como de lugares mucho más lejanos. Ahora, el grupo de más de 400 científicos de 18 países que conforman la colaboración del Observatorio Pierre Auger revela por primera vez que los rayos cósmicos de muy alta energía que llegan a la Tierra se originan fuera de la Vía Láctea, según publican en Science.
Tras 12 años de recogida de datos, el origen extragaláctico de este tipo de rayos ha sido posible gracias a la detección de partículas con una energía media de 2 julios en el Observatorio Pierre Auger, localizado en Argentina, y de una asimetría en su distribución: la cantidad que llegan en una dirección (alejada 120 grados del centro de nuestra galaxia) es un 6% mayor que en la dirección opuesta.
Karl-Heinz-Kampert, profesor de la Universidad de Wuppertal (Alemania) y portavoz de la Colaboración Auger, destaca la importancia del hallazgo: “Ahora estamos considerablemente más cerca de resolver el misterio de dónde y cómo se crean estas partículas de energías extraordinarias, una pregunta de enorme interés para la astrofísica. Nuestras observaciones representan una evidencia contundente de que los lugares en los que se aceleran están más allá de la Vía Láctea”.
"Ha habido otras evidencias, pero yo diría que este artículo realmente confirma que la mayoría de las partículas de rayos cósmicos de mayor energía no vienen de nuestra galaxia", subraya Gregory Snow, profesor de física de la Universidad de Nebraska-Lincoln y participante en el proyecto.
Por su parte, el profesor Alan Watson de la Universidad de Leeds (Reino Unido), portavoz emérito, considera que este resultado “es uno de los más emocionantes que hemos obtenido, y responde a una de las preguntas clave que se pretendía responder cuando fue concebido el observatorio por Jim Cronin y por mí mismo hace más de 25 años”.
Los rayos cósmicos son núcleos atómicos de diferentes elementos, desde los más ligeros como el hidrógeno, con sólo un protón, hasta los más pesados como el hierro. A energías elevadas, superiores a 2 julios (1 julio equivale aproximadamente a 6 x 1018 electronvoltios), su ritmo de llegada a la Tierra decrece tanto que atraviesan una superficie equivalente a un campo de fútbol con una frecuencia promedio de una vez por siglo.
Lluvias de millones de partículas
Aun así, siendo tan poco frecuentes estos rayos cósmicos se detectan porque, en interacciones sucesivas con los núcleos de la atmósfera, producen avalanchas o ‘lluvias’ de múltiples electrones, fotones y muones que surcan la atmósfera prácticamente a la velocidad de la luz, agrupados en forma de disco, como un plato llano de varios kilómetros de diámetro.
Estas ‘lluvias’, que contienen más de diez mil millones de partículas, se detectan porque producen una onda de choque de luz en el agua (luz Cherenkov) al atravesar algunos de los 1.600 detectores del Observatorio Auger, cada uno con 12 toneladas de agua, que están esparcidos en 3.000 kilómetros cuadrados al oeste de Argentina, en una superficie comparable con la isla de Mallorca. Los tiempos de llegada de estas partículas en los detectores, medidos con receptores GPS, se usan para establecer la dirección de llegada del rayo cósmico con una precisión mejor que 1 grado.
Estudiando la distribución de las direcciones de llegada de más de 30.000 partículas cósmicas, la Colaboración Auger ha descubierto un exceso con una significación estadística de 5,2 desviaciones estándar (que en el lenguaje científico implica que hay solo una probabilidad entre 10 millones de que el resultado sea fruto de la casualidad), en una dirección en la que la distribución de galaxias es relativamente alta.
Aunque este descubrimiento apunta claramente al origen extragaláctico de estas partículas, todavía no pueden ser nítidamente especificadas las fuentes que las producen.
La dirección del exceso apunta a una amplia región del cielo más que a objetos específicos, ya que incluso partículas tan energéticas como estas se desvían decenas de grados en los campos magnéticos de nuestra galaxia. A pesar de ello, para cualquier configuración realista del campo magnético galáctico, esa dirección del exceso observado es incompatible con fuentes localizadas en el plano o en el centro de la galaxia.
Snow también destaca el papel de los rayos cósmicos como pistas de la estructura del universo: "Al comprender los orígenes de estas partículas, esperamos entender más sobre el inicio del universo, el Big Bang, cómo se formaron las galaxias, los agujeros negros, etc., algunas de las preguntas más importantes en astrofísica".
Participación española en el descubrimiento
El futuro proyecto de mejora del observatorio (AugerPrime) podrá extraer mejor la valiosísima información de los rayos cósmicos más energéticos
Existen rayos cósmicos con energías todavía mayores que los que se han utilizado en este trabajo, con una energía cinética más propia de una pelota de tenis bien golpeada por Rafa Nadal que de una partícula subatómica. Como se espera que las desviaciones de estas partículas sean inferiores, las direcciones de llegada deberían apuntar mejor a los lugares donde se crearon. Estos rayos cósmicos, que son todavía menos frecuentes, son objeto de intensos estudios con el objetivo de determinar cuáles son los objetos extraglácticos capaces de producirlos.
Usando los tiempos de llegada de las partículas a los detectores de superficie del Observatorio Auger, el grupo de Granada ha obtenido una primera evidencia experimental de que, a las energías más extremas, el flujo parece contener partículas ligeras (protones). Esta información ayudará a mejorar los detectores e incrementar las posibilidades de resolver en un futuro próximo el misterio del origen de las partículas más energéticas jamás detectadas en el universo.
Tras 12 años de recogida de datos, el origen extragaláctico de este tipo de rayos ha sido posible gracias a la detección de partículas con una energía media de 2 julios en el Observatorio Pierre Auger, localizado en Argentina, y de una asimetría en su distribución: la cantidad que llegan en una dirección (alejada 120 grados del centro de nuestra galaxia) es un 6% mayor que en la dirección opuesta.
"Ahora estamos mucho más cerca de resolver el misterio de dónde y cómo se crean estas partículas de energías extraordinarias", dicen los autores
Karl-Heinz-Kampert, profesor de la Universidad de Wuppertal (Alemania) y portavoz de la Colaboración Auger, destaca la importancia del hallazgo: “Ahora estamos considerablemente más cerca de resolver el misterio de dónde y cómo se crean estas partículas de energías extraordinarias, una pregunta de enorme interés para la astrofísica. Nuestras observaciones representan una evidencia contundente de que los lugares en los que se aceleran están más allá de la Vía Láctea”.
"Ha habido otras evidencias, pero yo diría que este artículo realmente confirma que la mayoría de las partículas de rayos cósmicos de mayor energía no vienen de nuestra galaxia", subraya Gregory Snow, profesor de física de la Universidad de Nebraska-Lincoln y participante en el proyecto.
Por su parte, el profesor Alan Watson de la Universidad de Leeds (Reino Unido), portavoz emérito, considera que este resultado “es uno de los más emocionantes que hemos obtenido, y responde a una de las preguntas clave que se pretendía responder cuando fue concebido el observatorio por Jim Cronin y por mí mismo hace más de 25 años”.
Los rayos cósmicos son núcleos atómicos de diferentes elementos, desde los más ligeros como el hidrógeno, con sólo un protón, hasta los más pesados como el hierro. A energías elevadas, superiores a 2 julios (1 julio equivale aproximadamente a 6 x 1018 electronvoltios), su ritmo de llegada a la Tierra decrece tanto que atraviesan una superficie equivalente a un campo de fútbol con una frecuencia promedio de una vez por siglo.
Lluvias de millones de partículas
Aun así, siendo tan poco frecuentes estos rayos cósmicos se detectan porque, en interacciones sucesivas con los núcleos de la atmósfera, producen avalanchas o ‘lluvias’ de múltiples electrones, fotones y muones que surcan la atmósfera prácticamente a la velocidad de la luz, agrupados en forma de disco, como un plato llano de varios kilómetros de diámetro.
Estas ‘lluvias’, que contienen más de diez mil millones de partículas, se detectan porque producen una onda de choque de luz en el agua (luz Cherenkov) al atravesar algunos de los 1.600 detectores del Observatorio Auger, cada uno con 12 toneladas de agua, que están esparcidos en 3.000 kilómetros cuadrados al oeste de Argentina, en una superficie comparable con la isla de Mallorca. Los tiempos de llegada de estas partículas en los detectores, medidos con receptores GPS, se usan para establecer la dirección de llegada del rayo cósmico con una precisión mejor que 1 grado.
Detector Cherenkov de agua del Observatorio Auger en la Pampa Amarilla, al oeste de Argentina, e ilustración de la luz Chernekov producida por la lluvia de partículas del aire y detectada por tres tubos fotomultiplicadores que observan el volumen de agua. / The Pierre Auger Observatory
Estudiando la distribución de las direcciones de llegada de más de 30.000 partículas cósmicas, la Colaboración Auger ha descubierto un exceso con una significación estadística de 5,2 desviaciones estándar (que en el lenguaje científico implica que hay solo una probabilidad entre 10 millones de que el resultado sea fruto de la casualidad), en una dirección en la que la distribución de galaxias es relativamente alta.
El descubrimiento apunta al origen extragaláctico de estas partículas, pero todavía no se pueden especificar las fuentes que las producen
Aunque este descubrimiento apunta claramente al origen extragaláctico de estas partículas, todavía no pueden ser nítidamente especificadas las fuentes que las producen.
"Las partículas que hemos detectado son tan enérgicas (un millón de veces más que los protones acelerados en el gran colisionador LHC),que tienen que provenir de fenómenos astrofísicos extremadamente violentos”, considera Snow, y especula: ”Algunas galaxias tienen un agujero negro explosivo y masivo en sus centros y hay teorías de que estos centros muy violentos aceleran partículas de muy alta energía que eventualmente alcanzan nuestro planeta".
La dirección del exceso apunta a una amplia región del cielo más que a objetos específicos, ya que incluso partículas tan energéticas como estas se desvían decenas de grados en los campos magnéticos de nuestra galaxia. A pesar de ello, para cualquier configuración realista del campo magnético galáctico, esa dirección del exceso observado es incompatible con fuentes localizadas en el plano o en el centro de la galaxia.
Snow también destaca el papel de los rayos cósmicos como pistas de la estructura del universo: "Al comprender los orígenes de estas partículas, esperamos entender más sobre el inicio del universo, el Big Bang, cómo se formaron las galaxias, los agujeros negros, etc., algunas de las preguntas más importantes en astrofísica".
Participación española en el descubrimiento
“Se trata de un descubrimiento que demuestra que las direcciones de los rayos cósmicos más energéticos poseen valiosísima información, poniendo de relieve la importancia del proyecto de mejora del observatorio (AugerPrime), todavía en construcción, para poder extraerla con mayor eficacia”, dice Enrique Zas, líder científico del Observatorio en España y miembro del Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) en la Universidad de Santiago de Compostela.
El futuro proyecto de mejora del observatorio (AugerPrime) podrá extraer mejor la valiosísima información de los rayos cósmicos más energéticos
“El avance ha sido posible gracias al amplio campo de visión del observatorio, que, a pesar de estar en el hemisferio Sur, mide con precisión rayos cósmicos que proceden de gran parte del hemisferio Norte –añade–. Esto ha sido posible gracias a que se ha conseguido analizar los rayos cósmicos que inciden con una inclinación entre 60 y 80 grados con la vertical, algo que fue propuesto por el grupo del IGFAE, y que ha estado bajo su responsabilidad".
Existen rayos cósmicos con energías todavía mayores que los que se han utilizado en este trabajo, con una energía cinética más propia de una pelota de tenis bien golpeada por Rafa Nadal que de una partícula subatómica. Como se espera que las desviaciones de estas partículas sean inferiores, las direcciones de llegada deberían apuntar mejor a los lugares donde se crearon. Estos rayos cósmicos, que son todavía menos frecuentes, son objeto de intensos estudios con el objetivo de determinar cuáles son los objetos extraglácticos capaces de producirlos.
“Conocer mejor la naturaleza de estas partículas será de gran ayuda para poder realizar dicha identificación. Existen planes de trabajo para llevar a cabo este objetivo gracias al programa de mejora del Observatorio Pierre Auger que se espera completar en 2018”, indica Antonio Bueno, profesor de la Universidad de Granada y coportavoz del Observatorio.
Usando los tiempos de llegada de las partículas a los detectores de superficie del Observatorio Auger, el grupo de Granada ha obtenido una primera evidencia experimental de que, a las energías más extremas, el flujo parece contener partículas ligeras (protones). Esta información ayudará a mejorar los detectores e incrementar las posibilidades de resolver en un futuro próximo el misterio del origen de las partículas más energéticas jamás detectadas en el universo.
“Los rayos cósmicos son pistas de la estructura del universo", subraya por su parte Snow, que concluye: "Al comprender los orígenes de estas partículas, esperamos entender más sobre el inicio del universo, el Big Bang, cómo se formaron las galaxias, los agujeros negros, etc., algunas de las preguntas más importantes en astrofísica".
El Observatorio Pierre Auger
El Observatorio Pierre Auger registra lluvias de rayos cósmicos con una red hexagonal de 1.600 detectores de partículas, separados entre sí un kilómetro y medio y cubriendo una superficie de 3.000 kilómetros cuadrados. Además, veinte y siete telescopios especialmente diseñados detectan la luz de fluorescencia que emiten las moléculas de nitrógeno de la atmósfera con el paso de cada lluvia. La combinación de ambas técnicas lo convierte en el detector de rayos cósmicos ultraenergéticos más grande y más preciso del mundo con el que se han obtenido y siguen obteniendo importantes resultados en este campo.
La primera piedra para la construcción del observatorio Pierre Auger del sur se puso el 17 de marzo de 1999 en Malargüe, en la provincia argentina de Mendoza. Después de un largo período de desarrollo y comprobación, los primeros datos comenzaron a tomarse en enero de 2004. El Observatorio recibe su nombre del científico francés Pierre Victor Auger (1899-1993), que descubrió en 1938 los chubascos atmosféricos producidos por la interacción de rayos cósmicos en la atmósfera.
La primera piedra para la construcción del observatorio Pierre Auger del sur se puso el 17 de marzo de 1999 en Malargüe, en la provincia argentina de Mendoza. Después de un largo período de desarrollo y comprobación, los primeros datos comenzaron a tomarse en enero de 2004. El Observatorio recibe su nombre del científico francés Pierre Victor Auger (1899-1993), que descubrió en 1938 los chubascos atmosféricos producidos por la interacción de rayos cósmicos en la atmósfera.
CPAN
Unos científicos predicen la existencia de una nueva partícula subatómica, la cual podría ayudar a desentrañar qué es la materia oscura.
Sector del detector ATLAS, empleado en la investigación. (Foto: Claudia Marcelloni / CERN)
La materia oscura supera en abundancia a la materia normal del universo, representando más de las tres cuartas partes de masa del universo, en tanto que la materia normal constituye el resto. Pese a su abundancia, casi nada se sabe de ella. No se puede detectar por los métodos convencionales de captación de radiación (ni luz visible ni emisiones en otras longitudes de onda del espectro electromagnético); de ahí que se la llame oscura. Sí se percibe en cambio su influencia gravitatoria, y este es el principal indicio de su existencia.
Usando datos de una serie de experimentos que llevaron al descubrimiento y primera exploración del bosón de Higgs en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) en 2012, el equipo de Bruce Mellado, de la Universidad de Witwatersrand en Johannesburgo (Sudáfrica) estableció lo que ellos llaman la hipótesis Madala, que describe un nuevo bosón (un tipo de partícula subatómica), llamado el bosón de Madala. El experimento principal fue repetido en 2015 y 2016, después de un parón de dos años y medio del LHC (Gran Colisionador de Hadrones) en el CERN. Los datos aportados por los experimentos del LHC en 2016 han corroborado los rasgos en los datos que propiciaron inicialmente la hipótesis de Madala.
La hipótesis describe la existencia de un nuevo bosón y su campo, de modo similar al caso del bosón de Higgs. En el Modelo Estándar de la Física, el bosón de Higgs solo interactúa con la materia conocida. En cambio, el bosón de Madala interaccionaría con la materia oscura, que representa aproximadamente el 27 por ciento de toda la masa y la energía del universo.
La teoría sobre la que se basa la física actual sobre las interacciones fundamentales en la naturaleza es el citado Modelo Estándar. Con el descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC en 2012, algo por lo cual se otorgó un premio Nobel de Física en 2013, se considera al Modelo Estándar como completo. Sin embargo, este modelo es insuficiente para explicar algunas cosas, como la materia oscura, descubiertas en fechas relativamente recientes.
De entre toda la masa y la energía del universo, la masa que podemos tocar, oler y ver, o sea la masa que puede ser explicada por el bosón de Higgs, constituye solo el 4 por ciento.
Usando datos de una serie de experimentos que llevaron al descubrimiento y primera exploración del bosón de Higgs en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) en 2012, el equipo de Bruce Mellado, de la Universidad de Witwatersrand en Johannesburgo (Sudáfrica) estableció lo que ellos llaman la hipótesis Madala, que describe un nuevo bosón (un tipo de partícula subatómica), llamado el bosón de Madala. El experimento principal fue repetido en 2015 y 2016, después de un parón de dos años y medio del LHC (Gran Colisionador de Hadrones) en el CERN. Los datos aportados por los experimentos del LHC en 2016 han corroborado los rasgos en los datos que propiciaron inicialmente la hipótesis de Madala.
La hipótesis describe la existencia de un nuevo bosón y su campo, de modo similar al caso del bosón de Higgs. En el Modelo Estándar de la Física, el bosón de Higgs solo interactúa con la materia conocida. En cambio, el bosón de Madala interaccionaría con la materia oscura, que representa aproximadamente el 27 por ciento de toda la masa y la energía del universo.
La teoría sobre la que se basa la física actual sobre las interacciones fundamentales en la naturaleza es el citado Modelo Estándar. Con el descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC en 2012, algo por lo cual se otorgó un premio Nobel de Física en 2013, se considera al Modelo Estándar como completo. Sin embargo, este modelo es insuficiente para explicar algunas cosas, como la materia oscura, descubiertas en fechas relativamente recientes.
De entre toda la masa y la energía del universo, la masa que podemos tocar, oler y ver, o sea la masa que puede ser explicada por el bosón de Higgs, constituye solo el 4 por ciento.
NCYT
El deuterón, uno de los núcleos atómicos más simples, que consiste en
solo un protón y un neutrón, es considerablemente más pequeño de lo que
se pensaba previamente.
Parte del sistema láser necesario en el experimento para la determinación del tamaño del deuterón. Aquí, pulsos láser infrarrojos son transformados en luz láser verde. (Foto: Paul Scherrer Institute / A. Antognini / F. Reiser)
Este descubrimiento lo ha hecho un grupo internacional de
investigación que llevó a cabo experimentos en el Instituto Paul
Scherrer de Suiza e integrado, entre otros, por Karsten Schuhmann y Aldo
Antognini. El nuevo hallazgo concuerda con el que se realizó en un
estudio de 2010 del mismo grupo, En aquella ocasión, los investigadores
midieron el protón y encontraron un valor notablemente más pequeño que
el deducido en investigaciones previas usando métodos experimentales
distintos.
El resultado de 2010 formó la base para lo que desde entonces se ha
descrito como el “enigma del radio del protón”. La nueva medición del
tamaño del deuterón ha dado pie a un misterio análogo. Es posible que
esto lleve a un ajuste de la constante de Rydberg, fundamental en la
física.
Otra posible explicación es que intervenga una fuerza física aún desconocida.
En sus experimentos, los investigadores utilizaron espectroscopía
láser para medir el llamado deuterio muónico: un átomo artificial que
consiste en un deuterón orbitado por una partícula elemental exótica
conocida como muon.
Los experimentos tuvieron lugar en el Instituto Paul Scherrer porque
se necesitaba la fuente de muones más potente del mundo, disponible
allí, para producir suficiente deuterio muónico.
NCYT
En un artículo publicado en la revista Journal of High Energy
Physics (JHEP), el experimento MoEDAL del Gran Colisionador de Hadrones
(LHC) del CERN acota el lugar donde buscar una nueva partícula, el
monopolo magnético. En las últimas décadas, varios experimentos han
tratado de encontrar evidencias de la existencia de monopolos magnéticos
en aceleradores de partículas como el LHC. Estas partículas fueron
teorizadas por el físico Paul Dirac en los años treinta, pero no se han
observado hasta el momento. El Instituto de Física Corpuscular (IFIC,
CSIC-Universidad de Valencia) es el único centro de investigación
español que participa en MoEDAL.
“MoEDAL celebra hoy la publicación de su primer resultado científico y se une así a los otros experimentos del LHC en la frontera de la ciencia”, declara el portavoz del experimento, James Pinfold. “El resultado demuestra la capacidad de MoEDAL de explorar un nuevo territorio. Teorías como la supersimetría se pondrán a prueba en el futuro próximo por MoEDAL”, afirma la Presidenta del Consejo de la Colaboración del experimento, la investigadora del IFIC Vasiliki Mitsou.
Al igual que la electricidad tiene dos cargas, positiva y negativa,
el magnetismo tiene dos polos, norte y sur. La diferencia estriba en que
mientras que es fácil aislar una carga eléctrica positiva o negativa,
nunca se ha visto una carga magnética aislada, un monopolo. Si se corta
una barra magnética por la mitad se obtienen dos barras magnéticas más
pequeñas, pero cada una con su polo norte y sur. Sin embargo, la teoría
sugiere que el magnetismo podría ser una propiedad de las partículas
elementales. Así, como los electrones tienen carga negativa y los
protones positiva, los monopolos magnéticos podrían en teoría tener un
polo norte o sur.
Si los monopolos existen, se cree que son muy masivos. Como el LHC
produce colisiones a una energía sin precedentes, se podrían observar
partículas de este tipo si son lo suficientemente ligeras para estar al
alcance del LHC. Por ejemplo, las interacciones entre dos fotones de
alta energía podrían producir pares de monopolos norte y sur. Los
monopolos también podrían manifestarse por su carga magnética y mediante
su alto poder ionizante, unas 4.700 veces mayor que el de los protones.
El experimento MoEDAL del LHC está específicamente diseñado para buscar
estos efectos.
MoEDAL está compuesto por un gran detector pasivo instalado junto al
experimento LHCb. Como los monopolos serían altamente ionizantes,
dejarían trazas en detectores de plástico (NTDs) que se examinarían
después con un microscopio. Los monopolos también perderían su energía
de forma muy rápida, por lo que podrían ralentizarse mediante otro
dispositivo consistente en 0,8 toneladas de detectores de aluminio que
actúan como una trampa. Un monopolo atrapado en este dispositivo
señalaría su presencia después, cuando un magnetómetro busque cargas
magnéticas en los detectores. Además, MoEDAL dispone de una matriz de
detectores de píxeles de silicio TimePix, que se usan para observar el
entorno del experimento en tiempo real.
El artículo publicado hoy se basa en el análisis de los datos
recopilados durante el primer ciclo de funcionamiento del LHC o Run 1
(2010-2013), cuando los detectores de aluminio eran todavía prototipos.
Aunque no muestran evidencias de monopolos atrapados, los resultados han
permitido a la colaboración MoEDAL poner nuevos límites para la masa de
estas partículas hipotéticas. También muestran el potencial del
detector MoEDAL, a medida que el LHC proporcione datos a mayores
energías. La colaboración MoEDAL trabaja ahora activamente en el
análisis de los datos obtenidos con el detector completo en 2015,
incluidos los detectores de plástico NTDs y los detectores de aluminio,
con la estimulante posibilidad de descubrimientos revolucionarios en
varios nuevos escenarios para la física.
El grupo del IFIC se dedica tanto a aspectos experimentales como a la
elaboración de modelos teóricos importantes para la interpretación de
los resultados de MoEDAL, aprovechando la experiencia de sus integrantes
en el desarrollo de teorías sobre monopolos magnéticos y supersimetría.
En el artículo publicado hoy, el grupo IFIC jugó un papel decisivo en
la simulación del paso del monopolo magnético a través del detector.
La participación del IFIC en este proyecto está respaldada por la
Generalitat Valenciana como agencia financiadora. El grupo está liderado
por Vasiliki Mitsou, científica titular del CSIC en el IFIC que
actualmente preside la dirección del experimento, el Collaboration
Board.
CPAN
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