Los neutrinos de una galaxia cercana revelan los secretos de los agujeros negros

En el zoológico de las partículas subatómicas, los neutrinos son bestias extrañas. A diferencia de partículas más familiares como electrones y protones, los neutrinos fantasmales apenas interactúan con otra materia: pueden volar a través de un planeta como si ni siquiera estuviera allí. Esto hace que sea irritantemente difícil detectarlos y, para los neutrinos que fluyen desde objetos cósmicos en el cielo, aún más difícil saber exactamente de dónde vienen. En un estudio reciente publicado en Ciencia, sin embargo, los investigadores identificaron una fuente extragaláctica de estas partículas subatómicas.

Por primera vez, los astrónomos han detectado con confianza neutrinos de NGC 1068, una galaxia con un enorme agujero negro que se alimenta activamente en su centro. Los neutrinos se están creando fuera del “punto sin retorno” del agujero negro (su horizonte de sucesos), aunque no está claro exactamente cómo; varios mecanismos son plausibles. Los científicos esperan que este descubrimiento cambie la forma en que entienden no sólo NGC 1068 sino todo tales galaxias. Como beneficio adicional, creen que el hallazgo puede haber revelado la fuente de un tenue brillo de neutrinos que vemos en todas partes en el cielo.

El material que cae hacia un agujero negro primero forma un disco de acreción aplanado que orbita a su alrededor. La fricción calienta este disco de materia a temperaturas increíbles, lo que hace que brille tan intensamente que eclipsa a toda la galaxia anfitriona. A estas galaxias las llamamos “activas” y se encuentran entre los objetos más luminosos del universo.

En el caso de NGC 1068, detectar esa luz brillante es difícil porque gruesas nubes de polvo cósmico opaco absorben prácticamente toda ella, sin dejar prácticamente ninguna señal. Aquí es donde la propiedad más molesta de los neutrinos es una ventaja para nosotros: pueden atravesar esas nubes de polvo y volar al espacio, llegando eventualmente a la Tierra. Aún así, nos queda el problema de detectarlos. ¿Cómo se miden los neutrinos cuando pasan ilesos a través de su detector? La buena noticia es que para los neutrinos la materia es sólo principalmente permeable. Aunque es extraordinariamente raro, algunos logran interactuar con la materia, pero se necesita un tipo de observatorio muy especial para verlo.

Ubicado casi exactamente en el Polo Sur de la Tierra, el Observatorio de Neutrinos IceCube es uno de esos lugares y no es una instalación astronómica estándar. Por un lado, no utiliza un espejo para recoger y enfocar la luz de los objetos cósmicos como lo hacen los telescopios; en lugar de ello, tiene una serie de sensores ópticos relativamente simples colgados a lo largo de docenas de cuerdas verticales, creando una matriz tridimensional de más de 5.000 sensores que pueden detectar las ubicaciones y los momentos de los destellos de luz.

Por otro lado, está enterrado bajo más de un kilómetro de hielo antártico. Cuando un neutrino viaja a través del hielo, tiene una pequeña posibilidad de chocar contra el núcleo de uno de los átomos de oxígeno o hidrógeno de ese hielo. Pero los impactos reales son extremadamente poco comunes: billones de neutrinos pasan a través de cada centímetro cúbico de materia en la Tierra cada segundo, pero las interacciones físicas mensurables con esa materia pueden ocurrir sólo con días de diferencia.

Cuando ocurren, crean metralla subatómica de alta velocidad: partículas que se alejan del lugar de la colisión nuclear justo por debajo de la velocidad de la luz. Luego estos también atraviesan el hielo. Aquí está la parte divertida: en realidad viajan más rápido de lo que la luz puede moverse a través del hielo. Sin embargo, no se viola ninguna ley de la física. La velocidad de la luz en el vacío es el límite máximo de velocidad cósmica, pero la luz se mueve más lentamente cuando viaja a través de la materia. Las partículas no pueden moverse más rápido que la luz en el vacío, pero pueden viajar más rápido que la luz a través de la materia. Cuando lo hacen, crean una especie de boom fotónico, como la onda de choque que se crea cuando algo viaja por el aire más rápido que la velocidad del sonido. Estos eventos más rápidos que la luz se manifiestan como brillantes destellos de luz azul llamados radiación Cherenkov. Pueden verse a cierta distancia a través del claro hielo antártico y pueden ser captados por los detectores de IceCube.

Este fenómeno permite a los científicos detectar eventos de neutrinos desde el espacio, pero existe un problema con los eventos no deseados que imitan las señales deseadas. Las partículas subatómicas de otras fuentes del universo llamadas rayos cósmicos pueden impactar nuestra atmósfera y crear destellos de luz similares, confundiendo las mediciones. Sin embargo, los científicos pueden diferenciar entre los dos tipos de señales de una manera inteligente: utilizando la propia Tierra como un inmenso filtro. Los neutrinos que vienen del espacio vendrán de todas direcciones, incluso a través de la Tierra. Los rayos cósmicos, sin embargo, vendrán sólo del cielo sobre el observatorio antártico porque no pueden atravesar la Tierra directamente como lo hacen los neutrinos. Los detectores de IceCube pueden medir la dirección y filtrar los eventos que vienen desde arriba, garantizando así que los científicos mantengan sólo los impactos de los neutrinos cósmicos.

IceCube ha detectado millones de neutrinos en total, pero sólo unos pocos cientos como máximo parecen provenir de objetos cosmológicos auténticos. Algunas cosas que hay en el universo son la fuente de estos neutrinos. La pregunta es ¿qué son?

Al analizar los datos tomados de 2011 a 2020, la Colaboración IceCube (una enorme colección de científicos, ingenieros, analistas de datos y más) procesó con mucho cuidado cada evento detectado. Utilizando la información direccional de los destellos para rastrear las trayectorias de los neutrinos cósmicos entrantes, encontraron varios puntos en el cielo que parecían ser fuentes estadísticamente significativas de neutrinos.

¿La detección con mayor número de neutrinos? Un total de 79 (más o menos 20 aproximadamente) neutrinos durante ese período provenientes de la dirección de NGC 1068.

Esta hermosa galaxia espiral está relativamente cerca (a sólo 47 millones de años luz de nosotros) y es lo suficientemente brillante como para observarla con binoculares. Trabajos anteriores que analizaban los neutrinos de IceCube apuntaban a NGC 1068 como una posible fuente, pero los datos no eran lo suficientemente sólidos en ese momento como para afirmar un descubrimiento. Estos resultados cambian eso.

La detección de neutrinos que aparentemente provienen de esta galaxia activa es un gran problema. Los neutrinos que vieron los astrónomos tienen una energía extraordinariamente alta: más de un teraelectrón voltio cada uno. Eso es billones de veces la energía de los fotones de luz visible que vemos provenientes de la galaxia. La enorme energía de las partículas debe crearse en un acelerador de partículas cósmico extremadamente potente, y con un gran agujero negro que se alimenta activamente, son posibles varias opciones.

Por ejemplo, el turbulento miasma ionizado de materia encima y debajo del disco de material alrededor del agujero negro es infernalmente caliente y contiene poderosos campos magnéticos que pueden bombear enormes energías hacia las partículas, acelerándolas casi a la velocidad de la luz. Otra forma implica que el campo magnético en ese disco de acreción se retuerza cerca del agujero negro, creando vórtices gemelos, como tornados, llamados chorros, que pueden arrojar partículas a altas velocidades. Las ondas de choque generadas en los chorros cuando las partículas cargadas chocan entre sí también pueden producir las energías necesarias para los neutrinos de alta energía. Se sabe que estos chorros existen en NGC 1068.

La detección de estos neutrinos de NGC 1068 brindará a los astrónomos una idea de las fuerzas involucradas allí, así como de qué motores específicos son responsables de ellos, una gran ayuda dada la naturaleza oculta de los agujeros negros.

Se detectaron menos de 100 neutrinos NGC 1068 en la Tierra, pero se habrían diluido a medida que viajaban a través del vasto volumen del espacio. Teniendo en cuenta esta reducción, los astrónomos dicen que el número total de neutrinos generados por el agujero negro debe ser tan grande que se llevan mil millones de veces tanta energía como la que emite el sol.

Estas observaciones también proporcionan una pista importante para otro misterio. Los neutrinos llegan a la Tierra desde todas partes del cielo, creando un brillo de fondo en los cielos. La fuente de este resplandor ha sido difícil de precisar. En los datos de IceCube también se observaron neutrinos de varias otras galaxias activas (aunque con menos certeza estadística que para NGC 1068), y hay muchos millones de estas galaxias en todo el universo. Los nuevos datos indican que si emiten neutrinos como lo hace NGC 1068, estas galaxias más distantes podrían ser la fuente del fondo cósmico de neutrinos, similar a cómo las estrellas individuales en el cielo se desdibujan para formar el brillo continuo de la Vía Láctea. ver desde un sitio oscuro por la noche.

No hace mucho tiempo sólo conocíamos dos fuentes astronómicas de neutrinos: el Sol, donde se crean neutrinos en los incendios nucleares de su núcleo, y la Supernova 1987A, una estrella en explosión relativamente cercana que emitió un destello transitorio de neutrinos una vez y luego desapareció.

Cada gran galaxia del universo tiene un agujero negro supermasivo en su núcleo y cualquiera de ellos puede estar potencialmente activo. Sin embargo, aunque omnipresentes, pueden resultar difíciles de observar. Con una detección positiva de neutrinos provenientes de al menos uno y probablemente de varios de ellos, los astrónomos han abierto una nueva ventana a estos prodigiosos monstruos.

Este es un artículo de opinión y análisis, y las opiniones expresadas por el autor o autores no son necesariamente las de Científico americano.