Ciencia

Descubren el primer neutrino llegado del banquete de un agujero negro

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Judith de JorgeABC

Un experimento en la Antártida detecta la partícula, proveniente de una estrella destrozada por un agujero negro hace 700 millones de años

Hace 700 millones de años, cuando los primeros animales aparecían en la Tierra, una estrella tuvo la mala fortuna de acercarse demasiado al agujero negro supermasivo en el centro de una lejana galaxia sin nombre en la constelación del Delfín. Atraída por la irresistible gravedad del colosal objeto, comparable a 30 millones de soles, la estrella fue grotescamente estirada hasta quedar destrozada, lo que los científicos denominan un evento de disrupción de marea.

Entonces ocurrió algo inesperado. Este fenómeno provocó que un neutrino de alta energía, una misteriosa partícula sin apenas masa, saliera disparado hacia la Tierra como si se tratara de un poderoso acelerador de partículas cósmicas. El experimento IceCube, un inmenso observatorio enterrado bajo el

hielo de la Antártida, lo encontró y los investigadores fueron capaces de rastrear su largo viaje hasta sus orígenes. El estudio, publicado en la revista ‘Nature Astronomy’, relaciona por primera vez los neutrinos extraterrestres con el banquete de un agujero negro.

Diez veces más energía que el LHC

Esta es solo la segunda ocasión que un neutrino cósmico de alta energía puede rastrearse hasta su origen. En 2018, otro, detectado también en el Polo Sur, fue seguido hasta una galaxia activa, el blazar TXS 0506 + 056, a 6.000 millones de años luz de distancia.

Pero el nuevo neutrino cuenta una historia diferente. Tras ser despedazada por el agujero negro, aproximadamente la mitad de los escombros de la estrella fueron arrojados al espacio, mientras que la otra mitad se colocó en un disco giratorio alrededor del agujero negro. Este ‘disco de acreción‘ es algo similar al vórtice de agua sobre el desagüe de una bañera. Antes de hundirse en el olvido, la materia del disco de acreción se calienta más y más y brilla intensamente. Este resplandor fue detectado por primera vez el 9 de abril de 2019 por el Zwicky Transient Facility (ZTF), un proyecto de búsqueda sistemática en el hemisferio norte de fenómenos astronómicos transitorios de una duración corta, de segundos a años, situado en en Mount Palomar en California.

Medio año después, el 1 de octubre de 2019, el IceCube registró un neutrino extremadamente energético desde la dirección del evento de disrupción de mareas. «Se estrelló contra el hielo de la Antártida con una notable energía de más de 100 teraelectronvoltios», dice la coautora del estudio Anna Franckowiak, ahora es profesora en la Universidad de Bochum. «A modo de comparación, eso es al menos diez veces la energía máxima de partículas que se puede lograr en el acelerador de partículas más poderoso del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el laboratorio europeo de física de partículas CERN cerca de Ginebra», señala.

Una recreación del disco de acreción alrededor del agujero negro supermasivo, con estructuras en forma de chorro que se alejan del disco
Una recreación del disco de acreción alrededor del agujero negro supermasivo, con estructuras en forma de chorro que se alejan del disco – DESY, Laboratorio de Comunicación Científica

Partícula fantasma

Los neutrinos son extremadamente ligeros y apenas interactúan con nada. Puede atravesar planetas o estrellas sin ser percibidos, por lo que se les llama partículas fantasma. Por lo tanto, incluso atrapar un solo neutrino de alta energía ya es una observación notable. El análisis mostró que este en particular tenía solo una posibilidad entre 500 de ser una pura coincidencia con el evento de disrupción de marea. La detección provocó más observaciones con muchos instrumentos en todo el espectro electromagnético, desde ondas de radio hasta rayos X.

«Este es el primer neutrino vinculado a un evento de disrupción de marea y nos aporta pruebas valiosas», explica Robert Stein, responsable del trabajo. «Estos fenómenos no se comprenden bien. La detección del neutrino apunta a la existencia de un motor central y potente cerca del disco de acreción, que arroja partículas rápidas. Y el análisis combinado de datos de telescopios de radio, ópticos y ultravioleta nos da más evidencias de que actúa como un gigantesco acelerador de partículas».

Según un modelo teórico publicado en el mismo número de ‘Nature Astronomy’, estas inyecciones de materia al espacio duraron cientos de días. «El neutrino en cuestión emergió relativamente tarde, medio año después de que comenzara el festín de la estrella», dice Walter Winter, jefe del grupo teórico de física de astropartículas de DESY (Sincrotrón Alemán de Electrones), el mayor centro de investigación alemán de física de partículas, con sedes en Hamburgo y Berlín.

Múltiples mensajeros

El acelerador cósmico arroja diferentes tipos de partículas además de los neutrinos y los fotones, pero están cargadas eléctricamente y, por lo tanto, son desviadas por campos magnéticos intergalácticos en su viaje. Solo los neutrinos eléctricamente neutros pueden viajar en línea recta como la luz desde la fuente hacia la Tierra y, por lo tanto, convertirse en valiosos mensajeros de tales sistemas.

«Las observaciones combinadas demuestran el poder de la astronomía de múltiples mensajeros», dice el coautor Marek Kowalski, director de astronomía de neutrinos en DESY y profesor en la Universidad Humboldt de Berlín. «Sin la detección de este evento, el neutrino sería solo uno de muchos. Y sin el neutrino, la observación del evento de interrupción de las mareas sería solo una de muchas. Solo a través de la combinación pudimos encontrar el acelerador y aprender algo nuevo sobre los procesos internos».

«Es posible que solo estemos viendo la punta del iceberg aquí. En el futuro, esperamos encontrar muchas más asociaciones entre los neutrinos de alta energía y sus fuentes», dice Francis Halzen, profesor de la Universidad de Wisconsin-Madison e investigador principal de IceCube, que no participó directamente en el estudio. «Se está construyendo una nueva generación de telescopios que proporcionará una mayor sensibilidad a estos eventos y a otras posibles fuentes de neutrinos. Aún más esencial es la extensión planificada del IceCube, que aumentaría el número de detecciones de neutrinos cósmicos al menos diez veces», anuncia.

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