Retrato de la Vía Láctea que combina luz visible y emisiones de neutrinos (en azul). Crédito: Colaboración IceCube/Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (Lily Le y Shawn Johnson)/ESO (S. Brunier)
Los datos recopilados por un observatorio en la Antártida nos han dado la primera imagen de la Vía Láctea a través de una lente de partículas de neutrinos. Por primera vez, vimos nuestra galaxia “pintada” con una partícula en lugar de diferentes longitudes de onda de luz.
Resultado, publicado en Ciencia, proporciona a los científicos una nueva ventana al cosmos. Se cree que los neutrinos son producidos en parte por partículas cargadas de alta energía, llamadas rayos cósmicos, que chocan con otra materia. Debido a las limitaciones de nuestro equipo de detección, todavía no sabemos mucho sobre los rayos cósmicos. Por lo tanto, los neutrinos son otra forma de estudiarlos.
Se ha especulado desde la antigüedad que la Vía Láctea que vemos formando un arco en el cielo nocturno está formada por estrellas similares a nuestro Sol. En el siglo XVIII, se reconoció que es un plato aplanado de estrellas que vemos desde el interior. Solo han pasado 100 años desde que supimos que la Vía Láctea es en realidad una galaxia o “universo isla”, uno de los cien mil millones de otros.
En 1923, un astrónomo estadounidense edwin hubble identificó un tipo de estrella pulsante llamada “variable cefeida” en la llamada “nebulosa” de Andrómeda (una nube gigante de polvo y gas). Gracias al trabajo anterior de Henrietta Swan Leavitt, esto proporcionó una medida de la distancia entre la Tierra y Andrómeda.
Esto demostró que Andrómeda es una galaxia lejana como la nuestra, zanjando un debate de larga data y cambiando por completo nuestra idea de nuestro lugar en el universo.
El módulo de operaciones digitales, parte del observatorio IceCube, se sumerge en el hielo. Crédito: Mark Krasberg, IceCube/NSF, autor asegurado
Apertura de ventanas
Luego, cuando se abrieron nuevas ventanas astronómicas en el cielo, vimos nuestro hogar galáctico en muchas longitudes de onda diferentes: en ondas de radio, en varias bandas infrarrojas, en rayos X y rayos gamma. Ahora podemos ver nuestra morada cósmica en las partículas de neutrino, que tienen muy poca masa e interactúan muy débilmente con otra materia, de ahí su apodo de “partículas fantasma”.
Los neutrinos son emitidos desde nuestra galaxia cuando los rayos cósmicos chocan con el material interestelar. Sin embargo, los neutrinos también son producidos por estrellas como el Sol, algunas estrellas en explosión o supernovas, y posiblemente por la mayoría de los fenómenos de alta energía que vemos en el universo, como los estallidos de rayos gamma y los cuásares. Como tales, podrían proporcionarnos una visión sin precedentes de los procesos de alta energía en nuestra galaxia, una visión que no podemos obtener utilizando solo la luz.
La nueva detección pionera requirió un “telescopio” bastante extraño que está enterrado a varios kilómetros de profundidad en la capa de hielo de la Antártida, debajo del Polo Sur. El Observatorio IceCube de neutrinos utiliza una gigatonelada de hielo ultratransparente bajo una enorme presión para detectar una forma de energía llamada radiación Cherenkov.
Esta débil radiación es emitida por partículas cargadas que pueden viajar más rápido que la luz en el hielo (pero no en el vacío). Las partículas son creadas por neutrinos entrantes que provienen de colisiones de rayos cósmicos en la galaxia, golpeando átomos en el hielo.
Los rayos cósmicos son principalmente partículas de protones (forman el núcleo atómico junto con los neutrones) junto con algunos núcleos pesados y electrones. Hace unos cien años, se descubrió que caen a la Tierra de manera uniforme desde todas las direcciones. Todavía no conocemos todas sus fuentes definitivamente, porque sus direcciones de viaje están encriptadas por los campos magnéticos que existen en el espacio entre las estrellas.
El Observatorio IceCube se encuentra en el Polo Sur. Crédito: Erik Beiser, IceCube/NSF, autor asegurado
Profundo en el hielo
Los neutrinos pueden actuar como marcadores únicos de las interacciones de los rayos cósmicos en las profundidades de la Vía Láctea. Sin embargo, las partículas espectrales también se generan cuando los rayos cósmicos golpean la atmósfera de la Tierra. Entonces, los científicos que usaban los datos de IceCube necesitaban una forma de distinguir entre los neutrinos “astrofísicos”, provenientes de fuentes extraterrestres, y los producidos por las colisiones de rayos cósmicos en nuestra atmósfera.
Los investigadores se centraron en un tipo de interacción de neutrinos en el hielo llamado cascada. Esto da como resultado lluvias de luz más o menos esféricas y les da a los científicos un mayor nivel de sensibilidad a los neutrinos astrofísicos de la Vía Láctea. Esto se debe a que la cascada proporciona una mejor medida de la energía de los neutrinos que otros tipos de interacciones, aunque son más difíciles de reconstruir.
El análisis de diez años de datos de IceCube utilizando técnicas avanzadas de aprendizaje automático produjo casi 60 000 eventos de neutrinos con energías de más de 500 gigaelectronvoltios (GeV). De estos, solo alrededor del 7% fueron de origen astrofísico, y el resto se debió al “fondo” de la fuente de neutrinos que se genera en la atmósfera de la Tierra.
La hipótesis de que todos los eventos de neutrinos podrían ser causados por rayos cósmicos que golpean la atmósfera terrestre ha sido definitivamente rechazada al nivel de significación estadística conocido como 4,5 sigma. En otras palabras, nuestro resultado solo tiene una probabilidad de probabilidad de 1 en 150,000.
Esto está un poco fuera del estándar 5 sigma convencional para descubrimientos en física de partículas. Sin embargo, tal emisión de la Vía Láctea se espera sobre bases astrofísicas sólidas.
Con la inminente extensión del experimento –IceCube-Gen2 será diez veces mayor: obtendremos muchos más eventos de neutrinos, y la imagen borrosa actual se convertirá en una imagen detallada de nuestra galaxia, que nunca antes habíamos tenido.
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