En aquesta representació artística, un blazar està accelerant protons que produeixen pions, que produeixen neutrinos i raigs gamma. Els neutrins sempre són el resultat d’una reacció hadrònica com la que es mostra aquí. Els rajos gamma es poden produir tant en interaccions hadròniques com electromagnètiques. (ICECUBE / NASA)

Un primer cosmètic: s’han trobat neutrons ultra-alts d’energia, provinents de galàxies ardents a l’univers

El 1987, vam detectar neutrins d’una altra galàxia en una supernova. Després d’esperar 30 anys, hem trobat alguna cosa encara millor.

Un dels grans misteris de la ciència està determinant no només el que hi ha, sinó el que crea els senyals que detectem aquí a la Terra. Ja fa més d’un segle que sabem que les cremalleres a través de l’Univers són raigs còsmics: partícules d’alta energia que provenen de molt més enllà de la nostra galàxia. Tot i que s’han identificat algunes fonts d’aquestes partícules, la gran majoria d’elles, incloses les que tenen més energia, segueixen sent un misteri.

A dia d’avui, tot això ha canviat. La col·laboració de IceCube, el 22 de setembre de 2017, va detectar un neutrí d’alta energia que va arribar al pol sud, i va poder identificar la seva font. Quan una sèrie de telescopis de raigs gamma van mirar aquesta mateixa posició, no només van veure un senyal, sinó que van identificar un blazar, que va passar en flames en aquell mateix moment. Per fi, la humanitat ha descobert almenys una font que crea aquestes partícules còsmiques ultra-energètiques.

Quan els forats negres s’alimenten de matèria, creen un disc d’acreció i un raig bipolar perpendicular a aquesta. Quan un raig d’un forat negre supermassiu ens apunta, l’anomenem objecte BL Lacertae o blazar. Ara es creu que és una font important tant de rajos còsmics com de neutrins d'alta energia. (NASA / JPL)

L’Univers, arreu on mirem, està ple de coses per mirar i interactuar. La matèria s’agrupa en galàxies, estrelles, planetes i fins i tot persones. Corrents de radiació a través de l’Univers, que cobreixen la totalitat de l’espectre electromagnètic. I en cada centímetre cúbic d’espai es poden trobar centenars de partícules fantasioses i de massa petita conegudes com a neutrins.

Si més no, es podrien trobar si interactuaven amb freqüència apreciable amb la matèria normal que sabem manipular. En canvi, un neutrí hauria de passar per un any llum de plom per tenir un tret de 50/50 de xocar amb una partícula allà dins. Durant dècades després de la seva proposta el 1930, no vam poder detectar el neutrí.

El reactor nuclear experimental RA-6 (Republica Argentina 6), en marxa, que mostra la radiació de Cherenkov característica de les partícules més ràpides que la llum a l'aigua emeses. Els neutrins (o més exactament, antineutrins) hipotetitzats per Pauli el 1930 van ser detectats a partir d’un reactor nuclear similar el 1956. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

El 1956, els vam detectar per primera vegada configurant detectors a fora dels reactors nuclears, a pocs metres de lloc on es produeixen neutrins. Als anys seixanta, vam construir detectors prou grans (sota terra, protegits d’altres partícules contaminants) per trobar els neutrins produïts pel Sol i per col·lisions de raigs còsmics amb l’atmosfera.

Aleshores, el 1987, només la serendipitat ens va donar una supernova tan a prop de casa que vam poder detectar neutrins d’aquesta. Experiments realitzats amb propòsits completament no relacionats van detectar els neutrins de SN 1987A, que es van originar en l'era de l'astronomia de diversos missatgers. Els neutrins, pel que podríem dir, van viatjar a través de l’Univers a energies indistinguibles de la velocitat de la llum.

El romanent de la supernova 1987a, situat al gran núvol magellànic a uns 165.000 anys llum. El fet que els neutrins arribessin hores abans del primer senyal de llum ens va ensenyar més sobre la durada que trigués la llum a propagar-se a través de les capes d’estrelles d’una supernova que no pas a la velocitat de recorregut dels neutrins, cosa que no es distingia de la velocitat de la llum. Els neutrons, la llum i la gravetat semblen viatjar a la mateixa velocitat ara. (NOEL CARBONI I LA FOTOSHOP FOTOSHOP ESA / ESO / NASA S'adapta al LIBERADOR)

Durant uns 30 anys, els neutrins d'aquesta supernova van ser els únics neutrins que mai havíem confirmat que eren de fora del nostre propi sistema solar, i molt menys de la nostra galàxia domèstica. Però això no vol dir que no rebéssim neutrins més llunyans; simplement volia dir que no els podríem identificar amb cap font coneguda al cel. Tot i que els neutrins interaccionen només de manera molt feble amb la matèria, és més probable que interactuin si són més elevats en energia.

És aquí on entra l’observatori de neutrins IceCube.

L'observatori de IceCube, el primer observatori d'aquest tipus de neutrins, està dissenyat per observar aquestes partícules evidents de gran energia que es troben sota el gel de l'Antàrtida. (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

A l’interior del gel del pol sud, IceCube tanca un quilòmetre cúbic de material sòlid a la recerca d’aquests neutrins gairebé sense masses. Quan els neutrins passen per la Terra, hi ha la possibilitat de relacionar-se amb una partícula. Una interacció provocarà una pluja de partícules, cosa que ha de deixar signatures inconfusibles al detector.

En aquesta il·lustració, un neutrí ha interaccionat amb una molècula de gel, produint una partícula secundària -un muó- que es mou a velocitat relativista al gel, deixant una empremta de llum blava al darrere. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

En els sis anys que ha funcionat IceCube, han detectat més de 80 neutrins còsmics d’alta energia amb energies superiors a 100 TeV: més de deu vegades la major energia aconseguida per partícules al LHC. Alguns d’ells fins i tot han cremat l’escala PeV, aconseguint energies mil vegades més grans que el que es necessita per crear fins i tot la més pesada de les partícules fonamentals conegudes.

Però malgrat tots aquests neutrins d'origen còsmic que han arribat a la Terra, encara no els hem emparellat amb una font al cel que ofereix una ubicació definitiva. Detectar aquests neutrins és una cosa fantàstica, però a menys que puguem correlacionar-los amb un objecte real observat a l’Univers (per exemple, això també es pot observar en alguna forma de llum electromagnètica), no tenim ni idea del que els crea.

Quan un neutrí interacciona amb el glaç de l'Antàrtida, produeix partícules secundàries que deixen una empremta de llum blava a mesura que viatgen pel detector IceCube. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Els teòrics no han tingut cap problema a l'hora de fer idees, incloses:

  • les hipèrnoves, les més superluminoses de totes les supernoves,
  • esclats de raigs gamma,
  • lluminosos forats negres,
  • o el quasars, els forats negres més grans i actius de l’Univers.

Però es necessitaria proves per decidir-ho.

Un exemple d’esdeveniment de neutrí d’alta energia detectat per IceCube: un neutrí de 4,45 PeV va atrapar el detector el 2014. (OBSERVATORI ICECUBE SOUTH POLE NEUTRINO / NSF / UNIVERSITAT DE WISCONSIN-MADISON)

IceCube ha realitzat un seguiment i emissió de llançaments amb tots els neutrins d’alta energia que han trobat. El 22 de setembre de 2017 es va veure un altre esdeveniment d’aquest tipus: IceCube-170922A. En la versió que va sortir, van declarar el següent:

El 22 de setembre de 2017 IceCube va detectar un esdeveniment de molta energia molt similar a una pista amb una alta probabilitat de ser d'origen astrofísic. L'esdeveniment va ser identificat per la selecció d'esdeveniments de pista d'extremely High Energy (EHE). El detector IceCube es trobava en un estat normal de funcionament. Els esdeveniments EHE solen tenir un vèrtex d'interacció neutrino que es troba fora del detector, produeixen un muó que recorre el volum del detector i tenen un nivell de llum elevat (un proxy d'energia).
Els raigs còsmics dutxen partícules en colpejar protons i àtoms a l'atmosfera, però també emeten llum a causa de la radiació de Cherenkov. Observant tant els rajos còsmics del cel com els neutrins que afecten la Terra, podem utilitzar coincidències per descobrir els orígens de tots dos (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

Aquest esforç és interessant no només per als neutrins, sinó per als raigs còsmics en general. Malgrat que fa més d’un segle que hem vist milions de raigs còsmics d’energies elevades, no entenem d’on s’originen la majoria. Això és cert per a protons, nuclis i neutrins creats tant a la font com a través de cascades / dutxes a l'atmosfera.

Per això és fascinant que, juntament amb l’alerta, IceCube també donés coordenades d’on s’hauria d’originar aquest neutrí al cel, en la següent posició:

  • RA: 77,43 graus (-0,80 deg / + 1,30 deg 90% contenció PSF) J2000
  • Des: 5,72 deg (-0,40 deg / + 0,70 deg 90% contenció PSF) J2000

I això va conduir als observadors, a intentar realitzar observacions de seguiment a través de l’espectre electromagnètic, fins a aquest objecte.

Impressió de l'artista sobre el nucli galàctic actiu. El forat negre supermassiu al centre del disc d’acreció envia un estret raig d’alta energia de matèria a l’espai, perpendicular al disc. Un blazar situat a uns 4.000 milions d’anys llum és l’origen d’aquests rajos còsmics i neutrins. (DESY, LABOR DE COMUNICACIÓ DE CIÈNCIES)

Es tracta d’un blazar: un forat negre supermasiu que es troba actualment en estat actiu, que s’alimenta de la matèria i l’accelera a velocitats tremendes. Els blazars són com els quàsars, però amb una diferència important. Mentre que els quàsars es puguin orientar en qualsevol direcció, un blazar sempre tindrà un dels seus dolls apuntats directament a la Terra. Es diuen blazars perquè et "broten".

Aquest xacra particular es coneix com TXS 0506 + 056, i quan un nombre d’observatoris, inclòs l’observatori Fermi de la NASA i el telescopi MAGIC basat a terra de les Illes Canàries, van detectar immediatament raigs gamma que provenien d’ell.

Al voltant de 20 observatoris a la Terra i a l’espai van fer observacions de la ubicació on IceCube va observar el neutrí del setembre passat, cosa que va permetre la identificació del que els científics consideren una font de neutrins molt elevats d’energia i, per tant, de raigs còsmics. A més dels neutrins, les observacions fetes a través de l’espectre electromagnètic incloïen raigs gamma, raigs X i radiacions òptiques i radiofreqüents. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

No només això, sinó que quan van arribar els neutrins, es va trobar que el blazar es trobava en un estat de flamació, corresponent a les sortides més actives que un objecte d'aquest tipus experimenta. Des que els fluxos d’extinció són màxims, els investigadors afiliats a IceCube van recórrer un registre de dècades abans de la bengala del 22 de setembre de 2017 i van cercar qualsevol esdeveniment de neutrí que es pogués originar des de la posició de TXS 0506 + 056.

La troballa immediata? Els neutrins van arribar d'aquest objecte en diverses ràfegues, que van transcórrer molts anys. Combinant les observacions de neutrins amb les electromagnètiques, hem pogut constatar amb força que els neutrins d’alta energia són produïts per blazars, i que tenim la capacitat de detectar-los, fins i tot a una distància tan gran. El TXS 0506 + 056, si teniu curiositat, es troba a uns 4.000 milions d’anys llum.

Blazar TXS 0506 + 056 és la primera font identificada de neutrins i raigs còsmics d'alta energia. Aquesta il·lustració, basada en una imatge d'Orió de la NASA, mostra la ubicació del blazar, situat al cel nocturn a tocar de l'espatlla esquerra de la constel·lació d'Orió. La font es troba a uns 4.000 milions d’anys llum de la Terra. (ICECUBE / NASA / NSF)

Només amb aquesta observació de diversos missatgers es pot obtenir una quantitat enorme.

  • Els blazars s'han demostrat com a mínim una font de raigs còsmics.
  • Per produir neutrins es necessiten pions en descomposició i els produeixen protons accelerats.
  • Això proporciona la primera evidència definitiva d’acceleració de protons per forats negres.
  • Això també demostra que el blazar TXS 0506 + 056 és una de les fonts més lluminoses de l’Univers.
  • Finalment, a partir dels raigs gamma que ens acompanyen, podem estar segurs que els neutrins còsmics i els rajos còsmics, almenys de vegades, tenen un origen comú.
Els raigs còsmics produïts per fonts d’astrofísica d’alta energia poden arribar a la superfície de la Terra. Quan un raig còsmic xoca amb una partícula a l'atmosfera terrestre, produeix una pluja de partícules que podem detectar amb matrius a terra. Finalment, els hem descobert una font important. (COL·LABORACIÓ ASPERA / ERANET ASTROPARTICLE)

Segons Frances Halzen, investigadora principal de l'observatori de neutrons IceCube,

És interessant que a la comunitat astrofísica hi hagués un consens general que els blasers no eren fonts de raigs còsmics, i aquí estem ... La capacitat de mariscar telescopis a nivell mundial per fer un descobriment amb diverses longituds d'ona i unida amb un detector de neutrins. com IceCube marca una fita en el que els científics anomenen “astronomia multi-missatger”.

L’època de l’astronomia multi-missatgeria és oficialment aquí, i ara tenim tres formes completament independents i complementàries de mirar el cel: amb llum, amb neutrins i amb ones gravitacionals. Hem sabut que els blazars, una vegada considerats un candidat poc probable per generar neutrins d’alta energia i raigs còsmics, de fet creen tots dos.

Aquesta és la impressió d'un artista d'un llunyà quasar 3C 279. Els dolls bipolars són una característica habitual, però és extremadament infreqüent que un raig d'aigua es pugui apuntar directament a nosaltres. Quan això es produeix, tenim un Blazar, que ara es confirma que és una font tant de raigs còsmics d’alta energia com dels neutrins d’alta energia que veiem des de fa anys. (ESO / M. KORNMESSER)

Amb aquest descobriment, es llança oficialment un nou camp científic, el de l’astronomia neutrina d’alta energia. Els neutrins ja no són un subproducte d’altres interaccions ni una curiositat còsmica que amb prou feines s’estén més enllà del nostre Sistema Solar. En lloc d'això, podem utilitzar-los com a sonda fonamental de l'Univers i de les lleis bàsiques de la física. Un dels principals objectius en la construcció de IceCube era identificar les fonts de neutrins còsmics d’alta energia. Amb la identificació del blazar TXS 0506 + 056 com a font tant d’aquests neutrins com dels raigs gamma, es va aconseguir un somni còsmic que finalment s’ha aconseguit.

Startrts With A Bang està ara a Forbes i es va publicar a Medium gràcies als nostres seguidors de Patreon. Ethan ha estat autor de dos llibres, Més enllà de la galàxia i Treknologia: La ciència de Star Trek de Tricorders a Warp Drive.