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Identifican a una blazar como una fuente de neutrinos en un ejemplo más de astronomía multimensajero.

Los neutrinos fueron bautizados así por Fermi cuando los inventó para que cuadrasen las reacciones nucleares. No tienen carga eléctrica y tienen una masa muy pequeña aún por determinar con precisión.

Estas partículas interaccionan muy poco con la materia ordinaria porque su interacción está mediada por la fuerza nuclear débil. Se sabe que en el Sol se producen muchos neutrinos porque se necesita que algunos protones se transformen en neutrones y así tener las adecuadas reacciones de fusión nuclear. Los neutrinos atraviesan masivamente la Tierra sin inmutarse. De hecho podrían atravesar años luz de plomo sin demasiados problemas, sólo alguno interacciona de vez en cuando.

Los neutrinos solares se descubrieron por primera vez usando unos tanques con lejía. Los pocos neutrinos que interaccionaban transmutaban los átomos de cloro en argón. Al cabo de un tiempo largo se recogía el argón acumulado y se contabilizaban los neutrinos que habían interaccionado.

Ahora los detectores de neutrinos están diseñados de otro modo. Básicamente, consisten en un blanco masivo de agua o hielo. De los millones de neutrinos que cruzan el dispositivo, sólo unos pocos consiguen interaccionar con los átomos de agua, algo que hacen a través de los bosones cargados W y se produce una partícula cargada. Aunque también pueden interaccionar con el bosón Z , el producto obtenido es más difícil de detectar.

Cuando se genera una partícula cargada, esta se mueve a una velocidad relativista, por encima de la velocidad de la luz en el medio (que no en el vacío), lo que produce una onda de choque luminosa similar al impacto sónico de ruptura de la barrera del sonido por parte de un avión de combate (ya no contamos con el Concorde). Esa luz emitida es denominada luz Cherenkov y puede ser recolectada por tubos fotomultiplicadores.

Estos depósitos de agua suelen estar a cierta profundidad para evitar que el chaparrón de partículas producidos por los rayos cósmicos no genere mucho ruido. Además, la composición mineralógica del entorno no suele ser muy radiactiva por la misma razón.

Con este tipo de dispositivos se detectaron no sólo neutrinos solares, sino que, además, se detectó un flujo de neutrinos procedentes de la explosión de la supernova 1987A, en lo que constituyó, según los puristas, el primer caso de astronomía multimensajero. Lo registrado encajó a la perfección con los modelos de explosiones de supernova de tipo II. Por tanto, hasta ahora se conocían sólo dos fuentes neutrinos naturales: el sol y la supernova 1987A. La ventaja de las astronomía con neutrinos es que estos, al ser neutros, no son desviados por los campos electromagnético naturales y llegan en linea recta. Por el contrario, no se puede saber el origen de los rayos cósmicos constituidos por protones o núcleos de alta energía.

Una variante de este detector es el que usa hielo en lugar de agua y su principio básico es el mismo. Pero el mejor sitio para tener hielo en abundancia es la Antártida, así que allí se instaló un experimento de este tipo: IceCube. En NeoFronteras ya hemos hablado de él en alguna ocasión.

IceCube se construyó en la Antártida y consiste en 86 líneas de 2,5 km de longitud con tubos fotomultiplicadores y sistemas electrónicos asociados enterradas en el hielo y formando una red cúbica de 1 km de tamaño. Cuando los neutrinos interaccionan con el hielo se producen muones que emiten luz Cherenkov que es captada por algunos de los 5160 tubos fotomultiplicadores. Aunque haya muchos neutrinos cruzando el IceCube, sólo unos pocos dejarán huella: los más interesantes son los que provienen del hemisferio Norte que han atravesado la Tierra e inciden en la Antártida. Se considera que ese tipo de señal es más limpia.

Unos de estos eventos se registró en septiembre pasado y correspondió a un neutrino con una energía de 290 TeV, unas veinte veces más energético que cualquier partícula generada en los aceleradores de partículas como el LHC. Ahora se publica el artículo en el que identifican su fuente gracias a la astronomía multimensajero. Se trataría del blazar TXS 0506+056. Es la tercera fuente de neutrinos en ser identificada.

Un blazar consiste en el núcleo de una galaxia activa cuyos chorros miran en la misma dirección que el observador y constituyen uno de los fenómenos más violentos del Universo. Es decir, es un agujero negro supermasivo en el que todavía cae material que forma un disco de acreción y uno de cuyos dos jests, perpendiculares al disco, da la casualidad que apunta hacia nosotros y nos envía intensas onda electromagnéticas y chorros de partículas.

IceCube puede determinar la zona del cielo de la que proceden los neutrinos que detecta con una precisión de un cuarto de grado (media Luna llena, más o menos). Este neutrino ultraenergético no procedía del Sol ni podía ser de origen humano, por lo que debía ser de origen astrofísico. Así que se lanzó una alerta automática para que otros tipos de observatorios buscaran en la misma zona del cielo.

Dos días más tarde, el operador de telescopio infrarrojo Yasuyuki Tanaka (Universidad de Hiroshima) comprobó que el neutrino parecía proceder de una región a dos décimas de grado del blazar TXS 0506+056. Este blazar fue descubierto por primera hace dos décadas gracias a un radiotelescopio situado en Texas.

Los blazars sufren fenómenos de aumento de brillo en un factor diez o más que puede durar minutos o años y que se deben a un aporte extra de materia. Durante esos eventos emiten no solamente neutrinos de alta anergía, sino que emiten ondas electromagnéticas y rayos cósmicos.

Tanaka comprobó además que el telescopio de rayos gamma Fermi había registrado un alto flujo de radiación gamma procedente de TXS desde abril de ese año. Entonces mandó una segunda alerta para animar a observar esta fuente en todo el espectro.

TXS se encuentra a 5700 millones de años luz de nosotros, por lo que es una de las fuentes más luminosas del Universo. Esta fuente estuvo enviando una cantidad ingente de neutrinos de los cuales millones de ellos atravesaron las Tierra y el detector Ice Cube. Sólo uno de ellos interaccionó cuando ya salía a la superficie terrestre por el otro lado. Pero durante el destello, que duró meses, emitió otros tipos de radiación.

A los seis días de la alerta de Tanaka, los operadores del telescopio MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) instalado en la isla de La Palma anunciaron la detección de fotones gamma de alta energía procedentes de TXS.

Como MAGIC sólo ve fotones de muy alta energía tiene una resolución angular mejor que la de Fermi. Pero no es suficiente, incluso incluyendo otras observaciones por parte de otros 15 equipos, sólo se está seguro de que este blazar es la fuente del neutrino con una significación estadística de tres sigmas. Es decir, hay una posibilidad en mil que sólo se trate de una coincidencia. Es peor que las estadísticas del LHC, pero no está nada mal. Francis Halzen (University of Wisconsin–Madison), que es investigador principal de Ice Cube, sostiene que es más que suficiente.

Según los registros antiguos de Ice Cube, en un periodo de cuatro meses empezando en octubre de 2014 se habrían detectado 13 neutrinos, pero en ese tiempo Fermi no detecto ningún destello claro de rayos gamma por parte del blazar, aunque sí hubo desplazamiento hacia energías mayores en el espectro de rayos gamma de ese objeto, justo cuando se daban destellos de neutrinos.

¿Cómo se generarían estos neutrinos? Se cree que se producirían por protones emergiendo del chorro del blazar que interaccionarían con otras partículas en su camino hacia el exterior. Según una teoría, estos protones (y núcleos) serían entonces los principales responsables de los rayos cósmicos de ultra alta energía, pero son desviados por los campos electromagnéticos. Sólo los neutrinos generados por ellos, que viajan en línea recta, nos estarían desvelando la fuente.

Quizás en el futuro podamos hacer una mejor astronomía de neutrinos. El equipo de IceCube ha propuesto una mejora de este observatorio que aumentaría la sensibilidad en una factor 10 del instrumento al analizar una masa de hielo diez veces superior. La ventaja es que el hielo es más transparente de lo que creían y se necesita una densidad de tubos fotomultiplicadores menor que la empleada hasta ahora, por lo que saldría por sólo 280 millones de dólares. Otras propuestas son usar el Mediterráneo o el lago Baikal en Siberia.

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Fuentes y referencias:
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Foto: Martin Wolf, Icecube/NSF