INTEGRAL se une a una campaña de multi-mensajeros para estudiar una fuente de neutrinos de alta energía

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.

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, 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”. 

Notas

[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:

http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aat1378

Para más información:

Erik Kuulkers
 ESA INTEGRAL Project Scientist
 European Space Agency
Tel.: +31 6 30249526
Correo electrónico: Erik.Kuulkers@esa.int

Carlo Ferrigno
 INTEGRAL Science Data Centre
 University of Geneva, Suiza
Correo electrónico: Carlo.Ferrigno@unige.ch

Volodymyr Savchenko
 INTEGRAL Science Data Centre
 University of Geneva, Suiza
Correo electrónico: Volodymyr.Savchenko@unige.ch

Francis Halzen
IceCube Principal Investigator
University of Wisconsin-Madison, Estados Unidos
Correo electrónico: francis.halzen@icecube.wisc.edu

Sílvia Bravo Gallart
IceCube press office
 University of Wisconsin-Madison, Estados Unidos
Correo electrónico: silvia.bravo@icecube.wisc.edu

Markus Bauer
 ESA Science Communication Officer
 Teléfono: +31 71 565 6799
 Móvil: +31 61 594 3 954
 Correo electrónico: markus.bauer@esa.int