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Descubren una enigmática fuente de partículas de alta energía en el Universo

Logotipo de La Vanguardia La Vanguardia 12/07/2018
La fuente de rayos cósmicos de alta energía se ha podido rastrear gracias a la pista de una única partícula, un neutrino detectado por el observatorio IceCube en la Antártida © Image LaVanguardia.com La fuente de rayos cósmicos de alta energía se ha podido rastrear gracias a la pista de una única partícula, un neutrino detectado por el observatorio IceCube en la Antártida

El Universo está bañado en rayos cósmicos, haces de partículas aceleradas a grandes velocidades. Llegan a la Tierra constantemente, aunque la atmósfera nos protege de ellos. Pero el origen de los rayos cósmicos más energéticos, conocidos desde hace más de cien años, era un misterio. Hasta ahora: a partir de la pista de una única partícula, un neutrino, una colaboración internacional de científicos liderada por el observatorio IceCube, en la Antártida, ha logrado rastrear por primera vez uno de los posibles orígenes de los rayos cósmicos de alta energía. El hito abre nuevas posibilidades en la llamada astronomía multimensajero, que se inició el año pasado con la detección simultánea de un choque de estrellas de neutrones mediante ondas gravitacionales y electromagnéticas.

La fuente de este neutrino, y de los rayos cósmicos que lo originaron, es un objeto conocido como blazar, a 4.000 millones de años luz de la Tierra, según publican hoy los investigadores en un artículo en la revista Science. Se trata de una galaxia que en su centro alberga un agujero negro supermasivo que engulle toda la materia que se le acerca, un fenómeno extremadamente violento y en un equilibrio precario. Cuando el equilibrio se rompe, emite fogonazos de radiación electromagnética y rayos cósmicos de alta energía, justo en dirección a la Tierra. Es por eso que los investigadores han podido rastrearlo, a través de un esfuerzo combinado de veinte observatorios situados en la Tierra y el espacio.

Ilustración artística del blazar. Esta clase de galaxias recibe este nombre cuando apuntan los haces de energía hacia la Tierra, lo que los hace más fáciles de detectar © Proporcionado por La Vanguardia Ediciones, S.L. Ilustración artística del blazar. Esta clase de galaxias recibe este nombre cuando apuntan los haces de energía hacia la Tierra, lo que los hace más fáciles de detectar

“Esta campaña ha cubierto todas las longitudes de onda del espectro electromagnético, desde la radio a los rayos gamma y, lo más importante, el neutrino de IceCube que lanzó la alerta”, declara por correo electrónico Francis Halzen, físico de la Universidad de Wisconsin-Madison (Estados Unidos) e investigador principal del observatorio IceCube. Es por eso que se trata de astronomía multimensajero, ya que ha utilizado dos tipos de mensajeros: ondas electromagnéticas y neutrinos. “Los neutrinos nos abren una nueva ventana para observar el Universo”, recalca también por correo electrónico Darren Grant, investigador de la Universidad de Alberta (Canadá) y primer firmante del estudio.

IceCube, impulsado por la Fundación Nacional para la Ciencia de Estados Unidos, es un observatorio especializado en la detección de neutrinos, partículas prácticamente indetectables. Son los fantasmas del mundo subatómico: ya que interaccionan muy poco con la materia, pueden atravesarla sin problemas, se encuentre ésta en forma de polvo, planetas o estrellas, y viajan por el universo durante miles de millones de años luz en línea recta, sin detenerse ni desviarse, y casi a la velocidad de la luz. “Los neutrinos son los mensajeros astronómicos ideales”, afirma Darren Grant. Pero a la vez son extremadamente difíciles de cazar: “solo uno de cada 10.000 neutrinos que llegan a IceCube choca con el núcleo de un átomo del hielo y se transforma en una señal que podemos detectar”, señala Francis Halzen. Para maximizar las posibilidades de detección, IceCube fue construido como un observatorio gigante: sus instrumentos se extienden en un volumen de un kilómetro cuadrado bajo el hielo antártico.

La fuente de rayos cósmicos de alta energía se ha podido rastrear gracias a la pista de una única partícula, un neutrino detectado por el observatorio IceCube en la Antártida © Proporcionado por La Vanguardia Ediciones, S.L. La fuente de rayos cósmicos de alta energía se ha podido rastrear gracias a la pista de una única partícula, un neutrino detectado por el observatorio IceCube en la Antártida               

Uno de los fenómenos que puede generar los esquivos neutrinos son precisamente las fuentes de rayos cósmicos de alta energía. Pero, a diferencia de lo que ocurre con los neutrinos, los rayos cósmicos, que están formados por protones y núcleos de átomos con carga eléctrica, se desvían en cuanto se encuentran con un campo magnético. Por eso, cuando llegan a la Tierra, es imposible saber dónde se originaron. En cambio, los neutrinos generados en la fuente de rayos cósmicos de alta energía sí pueden ayudar a rastrearla.

IceCube detectó un único neutrino de alta energía el 22 de septiembre de 2017, que debía proceder de una fuente de rayos cósmicos también de alta energía, y rastreó su dirección de origen en la bóveda celeste. En menos de un minuto, alertó a telescopios de todo el mundo para que observasen la posible fuente de la partícula. El primero en detectar un candidato, el 28 de septiembre, fue el telescopio espacial Fermi de la NASA. El 4 de octubre lo siguió la pareja de telescopios MAGIC, en el Observatorio Roque de los Muchachos en Gran Canaria, según informa Òscar Blanch, investigador del Institut de Física d’Altes Energies de Barcelona (IFAE) en el proyecto MAGIC. Tras sumarse observaciones de otros 18 telescopios, todos los indicios apuntaron al blazar conocido como TXS 0506+056, cerca del hombro izquierdo de la constelación de Orión, aunque invisible a simple vista. “La probabilidad de que sea una coincidencia, y de que el neutrino y las observaciones electromagnéticas no procedan de la misma fuente, es de menos de un 1%”, explica Blanch en entrevista telefónica.

Al analizar datos recogidos anteriormente por IceCube, los investigadores también han descubierto que entre 2014 y 2015 llegó una ráfaga de 19 neutrinos de alta energía desde la dirección del mismo blazar, lo que refuerza la hipótesis de que sea una fuente de rayos cósmicos de alta energía. Los resultados de esta investigación se publican hoy en otro artículo en la revista Science.

“Las fuentes de rayos cósmicos de alta energía han sido un misterio durante más de cien años. Esta es la primera evidencia concluyente de una fuente de estos rayos cósmicos”, remarca Darren Grant. La prueba ha llegado más de cien años después de que el austrohúngaro Victor Franz Hess los descubriera en 1912, añade Francis Halzen. Los investigadores se proponen encontrar nuevas fuentes de rayos cósmicos de alta energía, ya que podría haber más además de los blazares: las colisiones entre estrellas de neutrones también podrían serlo, según Òscar Blanch.

“Los rayos cósmicos son la radiación de más alta energía que nos llega del Universo. No seremos capaces de entender la morfología del Universo extremo sin entender el enorme flujo de neutrinos y de rayos cósmicos”, concluye Francis Halzen. 

Galaxias violentas

Aproximadamente la mitad de las galaxias conocidas tienen agujeros negros supermasivos en su centro que absorben materia; se conocen como galaxias con núcleos activos, explica Òscar Blanch. “Son fenómenos muy violentos y su equilibrio a veces se rompe, lo que provoca que emitan haces de radiación electromagnética en dirección perpendicular al plano de la galaxia”. Al chocar con la materia que rodea al agujero negro, la radiación acelera las partículas y las convierte en rayos cósmicos de alta energía. “Son aceleradores de partículas mucho más potentes que los que podamos construir en la Tierra”, ha declarado Francis Halzen en la rueda de prensa en la que se han presentado los resultados, organizada por la Fundación Nacional para la Ciencia de Estados Unidos. Cuando da la casualidad de que los haces de radiación apuntan hacia la Tierra, estas galaxias reciben el nombre de blazares; se conocen algunos miles, apuntan Halzen y Grant. El agujero negro del centro de la Vía Láctea, en cambio, no es suficientemente grande como para absorber materia de su entorno, por lo que el núcleo de la galaxia no está activo.

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