Los astrónomos han rastreado por primera vez un neutrino de alta energía hasta su origen cósmico, resolviendo así un misterio centenario.

Los neutrinos son partículas subatómicas casi sin masa que no tienen carga eléctrica y, por tanto, apenas interactúan con su entorno. De hecho, trillones de estas «partículas fantasma» atraviesan el cuerpo sin ser percibidas ni obstaculizadas cada segundo.

La mayoría de estos neutrinos provienen del sol. Pero un pequeño porcentaje, con energías extremadamente altas, ha llegado a nuestro territorio desde el espacio profundo. El carácter esquivo de los neutrinos ha impedido a los astrónomos determinar el origen de estos vagabundos cósmicos, hasta ahora.

Las observaciones del Observatorio de Neutrinos IceCube, situado en el Polo Sur, y de otros instrumentos, han permitido a los investigadores rastrear un neutrino cósmico hasta un lejano blazar, una enorme galaxia elíptica con un agujero negro supermasivo de giro rápido en su corazón.

Y hay más. Los neutrinos cósmicos van de la mano de los rayos cósmicos, partículas cargadas altamente energéticas que chocan continuamente con nuestro planeta. Así pues, el nuevo hallazgo sitúa a los blazares como aceleradores de al menos algunos de los rayos cósmicos más rápidos.

Los astrónomos se han preguntado esto desde que se descubrieron los rayos cósmicos, allá por 1912. Pero se han visto frustrados por la naturaleza cargada de las partículas, que dicta que los rayos cósmicos son arrastrados de un lado a otro por diversos objetos mientras atraviesan el espacio. El éxito llegó finalmente al utilizar el viaje en línea recta de una partícula fantasma compañera de viaje.

«Hemos estado buscando las fuentes de los rayos cósmicos durante más de un siglo, y por fin hemos encontrado una», dijo a Space.com Francis Halzen, científico principal del Observatorio de Neutrinos IceCube y profesor de física en la Universidad de Wisconsin-Madison.

Un esfuerzo de equipo

IceCube, gestionado por la Fundación Nacional de la Ciencia de Estados Unidos (NSF), es un cazador de neutrinos dedicado. La instalación consta de 86 cables, que se encuentran dentro de perforaciones que se extienden unos 2,5 kilómetros en el hielo antártico. Cada cable, a su vez, contiene 60 «módulos ópticos digitales» del tamaño de una pelota de baloncesto, que están equipados con detectores de luz sensibles.

Estos detectores están diseñados para captar la característica luz azul emitida después de que un neutrino interactúe con un núcleo atómico. (Esta luz es lanzada por una partícula secundaria creada por la interacción. Y en caso de que te lo estés preguntando: Todo ese hielo superpuesto impide que otras partículas distintas de los neutrinos lleguen a los detectores y ensucien los datos). Se trata de eventos poco frecuentes; IceCube detecta sólo un par de cientos de neutrinos al año, dijo Halzen.

La instalación ya ha hecho grandes contribuciones a la astronomía. En 2013, por ejemplo, IceCube realizó la primera detección confirmada de neutrinos procedentes de más allá de la Vía Láctea. En aquel momento, los investigadores no pudieron determinar la fuente de esas partículas fantasma de alta energía.

El 22 de septiembre de 2017, sin embargo, IceCube captó otro neutrino cósmico. Era extremadamente energético, con unos 300 teraelectronvoltios, casi 50 veces más que la energía de los protones que circulan por el acelerador de partículas más potente de la Tierra, el Gran Colisionador de Hadrones.

Al cabo de un minuto de la detección, la instalación envió una notificación automática, alertando a otros astrónomos del hallazgo y transmitiendo las coordenadas de la zona del cielo que parecía albergar la fuente de la partícula.

La comunidad respondió: Cerca de 20 telescopios en tierra y en el espacio exploraron esa zona en todo el espectro electromagnético, desde las ondas de radio de baja energía hasta los rayos gamma de alta energía. Las observaciones combinadas rastrearon el origen del neutrino hasta un blazar ya conocido llamado TXS 0506+056, que se encuentra a unos 4.000 millones de años luz de la Tierra.

Por ejemplo, las observaciones de seguimiento realizadas por varios instrumentos diferentes -incluyendo el telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA en órbita terrestre y el Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope (MAGIC) en las Islas Canarias- revelaron una poderosa ráfaga de luz de rayos gamma que salía de TXS 0506+056.

El equipo de IceCube también revisó sus datos de archivo y encontró más de una docena de otros neutrinos cósmicos que parecían proceder del mismo blazar. Estas partículas adicionales fueron recogidas por los detectores desde finales de 2014 hasta principios de 2015.

«Todas las piezas encajan», dijo en un comunicado Albrecht Karle, científico principal de IceCube y profesor de física de la UW-Madison. «El destello de neutrinos en nuestros datos de archivo se convirtió en una confirmación independiente. Junto con las observaciones de los otros observatorios, es una prueba convincente de que este blazar es una fuente de neutrinos extremadamente energéticos y, por tanto, de rayos cósmicos de alta energía.»

Los hallazgos se recogen en dos nuevos estudios publicados en línea hoy (12 de julio) en la revista Science. Puede encontrarlos aquí y aquí.

La astrofísica de multimensajeros en alza

Los blazares son un tipo especial de galaxia activa superluminosa que lanza chorros gemelos de luz y partículas, uno de los cuales apunta directamente a la Tierra. (En parte, esa es la razón por la que los blazares nos parecen tan brillantes: porque estamos en la línea de fuego de los chorros.)

Los astrónomos han identificado varios miles de blazares en todo el universo, pero todavía no se ha descubierto que ninguno de ellos esté lanzando neutrinos hacia nosotros como lo hace TXS 0506+056.

«Hay algo especial en esta fuente, y tenemos que averiguar qué es», dijo Halzen a Space.com.

Esta es sólo una de las muchas preguntas que plantean los nuevos resultados. Por ejemplo, a Halzen también le gustaría conocer el mecanismo de aceleración: ¿Cómo, exactamente, consiguen los blazares que los neutrinos y los rayos cósmicos alcancen velocidades tan tremendas?

Halzen expresó su optimismo sobre la posibilidad de responder a estas preguntas en un futuro relativamente cercano, citando el poder de la «astrofísica multimensajero» -el uso de al menos dos tipos diferentes de señales para interrogar al cosmos- que se muestra en los dos nuevos estudios.

El descubrimiento de neutrinos sigue de cerca a otro hito multimensajero: En octubre de 2017, los investigadores anunciaron que habían analizado una colisión entre dos estrellas de neutrones superdensas observando tanto la radiación electromagnética como las ondas gravitacionales emitidas durante el dramático evento.

«La era de la astrofísica multimensajero está aquí», dijo la directora de la NSF, France Cordova, en el mismo comunicado. «Cada mensajero -de la radiación electromagnética, las ondas gravitacionales y ahora los neutrinos- nos proporciona una comprensión más completa del universo y nuevos e importantes conocimientos sobre los objetos y eventos más poderosos del cielo».

Sigue a Mike Wall en Twitter @michaeldwall y en Google+. Síganos en @Spacedotcom, Facebook o Google+. Publicado originalmente en Space.com.