Mensajeros del universo extremo
Rayos cósmicos, neutrinos y rayos gamma
Los rayos cósmicos
Los rayos cósmicos son las partículas más energéticas que conocemos en el universo. A pesar de haber sido descubiertos hace más de 100 años, todavía no conocemos la fuente de los rayos a las más altas energías y determinar su origen es uno de los mayores interrogantes de la astrofísica actual.
La energía de los rayos cósmicos
La energía de los rayos cósmicos
En la física de partículas las energías son medidas en "electronvoltios" (eV). Como referencia, la energía de un fotón (la partícula portadora de la luz) de luz visible es de aproximadamente 1 eV. Las partículas con energías más altas producidas en la Tierra son las aceleradas en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC por sus siglas en inglés), un acelerador de partículas construido en la frontera franco-suiza que es capaz de acelerar protones hasta energía de aproximadamente 10 billones de eV (o sea 1013 eV, ó 10 TeV). Si bien estas energías son bajas comparadas con la de objetos cotidianos (1 TeV es aproximadamente la energía cinética de un mosquito en vuelo) debemos recordar que estamos hablando de una sola partícula subatómica.
Los rayos cósmicos que llegan a la Tierra cubren un amplio rango de energías. En promedio, cada metro cuadrado de las capas superiores de la atmósfera es alcanzado por un rayo cósmico de 0.1 TeV o más cada segundo. La tasa de rayos cósmicos cae rápidamente a más altas energías: a 1016 eV (10.000 TeV) solo una partícula llega a cada metro cuadrado de la tierra por año, mientras que a 1019 eV es de una partícula por año por kilómetro cuadrado, y a 1020 eV es menor a un rayo cósmico por kilometro cuadrado por siglo. Esto hace que sea muy dificil estudiar estas partículas a muy altas energías, ya que hacen falta construir detectores con superficies de miles de kilómetros cuadrados para detectar solo algunas cada año. Aún así, estos detectores (como el Observatorio Pierre Auger en Argentina, y Telescope Array en EEUU) estudian las energías, la composición y las direcciones de arribo de los rayos cósmicos ultra-energéticos.
¿De donde provienen los rayos cósmicos?
Las fuentes de los rayos cósmicos ultra-energéticos son todavía un misterio porque la trayectoria de estas partículas (al tener carga eléctrica) es afectada por campos magnéticos dentro de y más allá de nuestra galaxia. Por esto una vez que llegan a la Tierra y son detectadas, estas partículas no "apuntan" en la dirección de su fuente, ya que su camino fue alterado por un campo magnético. Solo a las energías mas extremas estas desviaciones son pequeñas (de algunos grados en el cielo), pero la cantidad de partículas detectadas es tan baja que se dificulta precisar su origen. Aunque no sabemos todavía qué fuentes los producen, sabemos que para acelerar partículas a energías tan extremas necesitamos objetos con tamaños y campos magnéticos determinados. Por eso algunas fuentes astrofísicas extremas, como los núcleos de galaxias activas, son candidatos a aceleradores de rayos cósmicos.
Las fuentes de los rayos cósmicos ultra-energéticos son todavía un misterio porque la trayectoria de estas partículas (al tener carga eléctrica) es afectada por campos magnéticos dentro de y más allá de nuestra galaxia. Por esto una vez que llegan a la Tierra y son detectadas, estas partículas no "apuntan" en la dirección de su fuente, ya que su camino fue alterado por un campo magnético. Solo a las energías mas extremas estas desviaciones son pequeñas (de algunos grados en el cielo), pero la cantidad de partículas detectadas es tan baja que se dificulta precisar su origen. Aunque no sabemos todavía qué fuentes los producen, sabemos que para acelerar partículas a energías tan extremas necesitamos objetos con tamaños y campos magnéticos determinados. Por eso algunas fuentes astrofísicas extremas, como los núcleos de galaxias activas, son candidatos a aceleradores de rayos cósmicos.
La conexión multi-mensajero: neutrinos y rayos gamma
A medida que los rayos cósmicos son acelerados, o bien mientras se propagan por el universo, es posible que algunos colisionen con gas o interactúen con fotones, lo que resulta en la producción de piones (partículas subatómicas de vida breve).
Estos piones decaen finalmente en rayos gamma (fotones de muy alta energía) y neutrinos, que al no tener carga eléctrica no son afectados por los campos magnéticos que desvian el camino de los rayos cósmicos y viajan en linea recta.
Por lo tanto podemos combinar estos "mensajeros cósmicos" (indicados esquemáticamente en la imagen arriba) para buscar fuentes de rayos cósmicos. Si encontramos una fuente de neutrinos y rayos gamma, podemos asegurar que esas partículas son producidas por la interacción de rayos cósmicos y por lo tanto habremos identificado finalmente el origen de estas partículas energéticas.
Estos piones decaen finalmente en rayos gamma (fotones de muy alta energía) y neutrinos, que al no tener carga eléctrica no son afectados por los campos magnéticos que desvian el camino de los rayos cósmicos y viajan en linea recta.
Por lo tanto podemos combinar estos "mensajeros cósmicos" (indicados esquemáticamente en la imagen arriba) para buscar fuentes de rayos cósmicos. Si encontramos una fuente de neutrinos y rayos gamma, podemos asegurar que esas partículas son producidas por la interacción de rayos cósmicos y por lo tanto habremos identificado finalmente el origen de estas partículas energéticas.
Detectando neutrinos cósmicos
Los neutrinos son partículas subatómicas de muy baja masa. Tan baja en realidad que hasta ahora no hemos logrado medirla. Los últimos experimentos indican que no puede ser superior a 0.000000000000000000000000000000000002 kg.
Al no tener carga eléctrica, y debido a que interactúan solo a través de la fuerza débil, los neutrinos son capaces de atravesar grandes cantidades de materia sin ser absorbidos. Cada segundo, aproximadamente 70 mil millones de neutrinos provenientes del Sol llegan a cada centímetro cuadrado de la superficie terrestre y son capaces de atravesar el planeta entero sin ser atenuados. Esto los hace mensajeros cósmicos ideales, ya que pueden atravesar incluso las partes mas densas de un objeto astronómico sin ser afectados.
A altas energías, donde se espera que los neutrinos sean producidos mayormente por la interacción de rayos cósmicos en fuentes astrónomicas, los detectores de neutrinos deben tener una gran masa que permita que, de vez en cuando, un neutrino cósmico interactúe dentro del instrumento para ser detectado.
El mayor observatorio de neutrinos de alta energía en funcionamiento es IceCube, un detector de un kilómetro cúbico de volumen que detecta neutrinos utilizando la técnica Cherenkov. Esta técnica, propuesta en los años 60s por Moisey Markov e Igor Zheleznykh, se basa en la detección de luz Cherenkov producida por partículas cargadas que son emitidas cuando un neutrino interactúa en un medio refractivo como el hielo. Esta luz permite medir tanto la energía como la dirección del neutrino original, lo que permite la búsqueda de la fuente de los neutrinos y estudiar el espectro energético de los mismos.
Al no tener carga eléctrica, y debido a que interactúan solo a través de la fuerza débil, los neutrinos son capaces de atravesar grandes cantidades de materia sin ser absorbidos. Cada segundo, aproximadamente 70 mil millones de neutrinos provenientes del Sol llegan a cada centímetro cuadrado de la superficie terrestre y son capaces de atravesar el planeta entero sin ser atenuados. Esto los hace mensajeros cósmicos ideales, ya que pueden atravesar incluso las partes mas densas de un objeto astronómico sin ser afectados.
A altas energías, donde se espera que los neutrinos sean producidos mayormente por la interacción de rayos cósmicos en fuentes astrónomicas, los detectores de neutrinos deben tener una gran masa que permita que, de vez en cuando, un neutrino cósmico interactúe dentro del instrumento para ser detectado.
El mayor observatorio de neutrinos de alta energía en funcionamiento es IceCube, un detector de un kilómetro cúbico de volumen que detecta neutrinos utilizando la técnica Cherenkov. Esta técnica, propuesta en los años 60s por Moisey Markov e Igor Zheleznykh, se basa en la detección de luz Cherenkov producida por partículas cargadas que son emitidas cuando un neutrino interactúa en un medio refractivo como el hielo. Esta luz permite medir tanto la energía como la dirección del neutrino original, lo que permite la búsqueda de la fuente de los neutrinos y estudiar el espectro energético de los mismos.
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Izquierda: Vista esquemática del observatorio de neutrinos IceCube ubicado en el Polo Sur antártico. IceCube está compuesto de 86 líneas de 60 detectores de luz cada una que detectan los destellos de luz producidos por la interacción de neutrinos en el hielo antártico en un volumen aproximado de 1 kilómetro cúbico. El IceCube Lab es el laboratorio en la superficie que recibe las señales de todos los detectores instalados en el hielo profundo mientras que Deep Core es una sección más densamente instrumentada que permite estudiar las propiedades de los neutrinos.
La Torre Eiffel es mostrada a escala en la esquina inferior izquierda. |
IceCube detecta neutrinos astrofísicos
En 2013, IceCube anunció el descubrimiento de un flujo de neutrinos astrofísicos de altas energías, en el rango que va desde 10 a 3000 TeV. Esto no solo son los neutrinos de más alta energía jamás detectados, sino que representan un avance fundamental en la búsqueda de las fuentes de rayos cósmicos, por lo que queda determinar la dirección de origen de estos neutrinos.
En 2013, IceCube anunció el descubrimiento de un flujo de neutrinos astrofísicos de altas energías, en el rango que va desde 10 a 3000 TeV. Esto no solo son los neutrinos de más alta energía jamás detectados, sino que representan un avance fundamental en la búsqueda de las fuentes de rayos cósmicos, por lo que queda determinar la dirección de origen de estos neutrinos.
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Izquierda: Uno de los eventos detectados por IceCube que muy probablemente ha sido producido por un neutrino de origen cósmico. Las esferas indican un detector dentro del hielo que detectó luz proveniente de las partículas producidas en la interacción del neutrino. El tamaño de cada esfera representa la cantidad de luz detectada, mientras que el color representa el orden de tiempo en que la luz fue detectada (rojo para el inicio, azul para el final).
La partícula producida por el neutrino, probablemente un muón de alta energía, ingresó por la derecha al detector dejando detrás de si una estela de luz Cherenkov. El muón prosiguió en dirección ascendente hacia la izquierda y emergió del volumen de IceCube. Utilizando esta información de tiempo y cantidad de luz es posible reconstruir la dirección del neutrino original con una precisión de aproximadamente un grado en el cielo (como referencia, la Luna llena mide medio grado). |
Para poder detectar la fuente de los neutrinos es posible usar el método "multi-mensajero", donde combinamos distintos tipos de partículas para estudiar el mismo fenómeno astrofísico.
Recordemos que la interacción de rayos cósmicos produce neutrinos y también rayos gamma en la fuente, por lo que buscando coincidencias de ambos sería posible determinar el origen de los neutrinos. Por este motivo, en 2016 IceCube comenzó a distribuir en tiempo real las detecciones de neutrinos entre la comunidad astronómica internacional. De esta manera si un telescopio detecta algún fenómeno energético - por ejemplo, un destello de rayos gamma, una explosión de supernova, o una galaxia activa - en la misma dirección que uno de los neutrinos de IceCube es posible que ambos sucesos estén relacionados.
Recordemos que la interacción de rayos cósmicos produce neutrinos y también rayos gamma en la fuente, por lo que buscando coincidencias de ambos sería posible determinar el origen de los neutrinos. Por este motivo, en 2016 IceCube comenzó a distribuir en tiempo real las detecciones de neutrinos entre la comunidad astronómica internacional. De esta manera si un telescopio detecta algún fenómeno energético - por ejemplo, un destello de rayos gamma, una explosión de supernova, o una galaxia activa - en la misma dirección que uno de los neutrinos de IceCube es posible que ambos sucesos estén relacionados.
TXS 0506+056 y el neutrino IceCube-170922A
El 22 de septiembre de 2017 a las 20:54:30.43 UTC IceCube detectó un neutrino de muy alta energía, posiblemente de origen astrofísico, el cual fue nombrado IceCube-170922A. La posición celeste del neutrino fue rápidamente comunicada a la comunidad astronómica lo que inicio una gran campaña de observaciones para buscar una contrapartida electromagnética. El observatorio espacial de rayos gamma Fermi detectó en esa posición una galaxia de núcleo activo llamada TXS 0506+056 ubicada en la constelación de Orión, la cual estaba en un proceso de actividad alto. Esta observación llevo a un análisis de datos históricos de IceCube en esa posición, lo que permitió identificar una aparente actividad de neutrinos en un período de ~150 días en 2014-2015.
Estos resultados representan la primera evidencia de una fuente astrofísica de neutrinos de alta energía lo que han hecho de TXS 0506+056 un objeto de gran interés para la comunidad astronómica.
Estos resultados representan la primera evidencia de una fuente astrofísica de neutrinos de alta energía lo que han hecho de TXS 0506+056 un objeto de gran interés para la comunidad astronómica.
Mapa de rayos gamma de Fermi mostrando la emisión detectada de TXS 0506+056. El contorno rojo y gris representa el error en la determinación de la posición de IceCube-170922A
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Vista del evento IceCube-170922A. La línea roja representa la dirección reconstruida del muón producido por la interacción del neutrino.
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Desentrañando los misterios de TXS 0506+056
La posible conexión entre los neutrinos detectados por IceCube y la galaxia TXS 0506+056 han motivado un gran número de estudios y observaciones. En particular, nuestro grupo se dedica a estudiar esta galaxia utilizando los telescopios VERITAS, sensibles a rayos gamma en el rango de energía por encima de 0.1 TeV, además de varios satélites sensibles a rayos gamma y X como Fermi, NuSTAR y Swift. Los siguientes años traerán nuevas detecciones gracias a la construcción de grandes telescopios de rayos gamma como CTA y de la expansión de IceCube llamada IceCube-Gen2.
El arreglo de telescopios VERITAS, ubicado en Arizona.
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La detección de TXS 0506+056 utilizando VERITAS.
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