Hace tres años, los científicos detectaron algo extraordinario en las profundidades del mar Mediterráneo: el neutrino cósmico más poderoso jamás observado. La partícula porta una asombrosa energía de aproximadamente 220 pV, diez veces más que los neutrinos de alta energía detectados anteriormente, y los investigadores aún no saben exactamente de dónde vino.
Ahora se ha publicado un nuevo estudio. Revista de Cosmología y Física de Astropartículas (JCAP) lo que sugiere que la partícula puede originarse en blazares, algunos de los objetos más extremos del universo. Los bluzars son núcleos galácticos activos impulsados por agujeros negros supermasivos que disparan masivos chorros de plasma directamente hacia la Tierra.
Los científicos buscan una fuente récord de neutrinos
El neutrino fue detectado el 13 de febrero de 2023 por KM3NeT/ARCA, un gran observatorio de neutrinos ubicado en lo profundo de la costa de Sicilia. Curiosamente, todavía se están desarrollando detectores. En el momento del descubrimiento, sólo estaban operativas 21 líneas de detección, lo que representa aproximadamente el 10% del tamaño final previsto del observatorio.
Incluso con su configuración parcial, el detector capturó una señal diferente a todo lo que los científicos habían visto antes.
Los investigadores abordaron el misterio de forma muy parecida a como los investigadores forenses examinan las pistas de la escena de un crimen. Comenzando con una posible explicación, crearon simulaciones y compararon los resultados con observaciones reales.
Una idea principal es que los neutrinos provienen de una clase especial de blazares capaces de acelerar partículas a energías extremas.
“Hay varias explicaciones posibles para el origen de estas partículas”, explicó Maryam Bendahmann, investigadora del INFN Nápoles y miembro de la colaboración KM3NeT, entre los autores del estudio, que cuenta con cientos de colaboradores. “Por ejemplo, se ha propuesto que los rayos cósmicos de energía ultra alta interactúan con la radiación cósmica de fondo de microondas, la luz remanente del universo temprano, para producir tales neutrinos. Pero también existe la posibilidad de que los neutrinos se originen a partir de un flujo más amplio, como los aceleradores extremos producidos por una población de aceleradores.
Por qué Blazars se convirtió en el principal sospechoso
En muchos eventos cósmicos, los astrónomos buscan una contraparte electromagnética, como ondas de radio, luz visible, rayos X o rayos gamma, provenientes de la misma región del cielo al mismo tiempo que la detección de neutrinos.
Pero en este caso los científicos no encontraron ninguna señal coincidente.
“Esto no descarta completamente la posibilidad de una fuente puntual”, señala Bendahmann, “pero sí nos lleva a considerar que nuestros neutrinos pueden provenir de un fondo difuso, es decir, de una corriente de neutrinos con contribuciones de muchas fuentes”.
Esta posibilidad ha llevado a los investigadores a plantear la hipótesis de que la partícula puede haberse originado no a partir de un único evento cósmico dramático, sino de una gran población de blazares.
Para investigar, el equipo utilizó una herramienta de simulación de código abierto llamada AM3 para modelar poblaciones de blazar realistas. Muchos aspectos de la simulación se basaron en valores ya medidos mediante otras observaciones, incluida la fuerza del campo magnético y el tamaño de la región de emisión alrededor del agujero negro.
Los investigadores han combinado principalmente dos factores críticos. Una era la carga bariónica, que mide cuánta energía transportan los protones en relación con los electrones y ayuda a determinar cuántos neutrinos se pueden producir. El segundo fue el índice espectral de protones, que afecta cómo se distribuye la energía de los protones y si pueden alcanzar energías extremadamente altas.
Para cada simulación, los investigadores calcularon tanto la producción de neutrinos como la emisión de rayos gamma asociada y luego compararon los resultados con las observaciones reales.
Comparando resultados con IceCube y Fermi
El estudio combinó observaciones de varios observatorios importantes, incluido el KM3NeT/ARCA, el Observatorio de Neutrinos Icecube y el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA.
Los investigadores no se centraron sólo en lo que observaron estos instrumentos. También consideraron lo que no se observó.
Por ejemplo, ningún otro observatorio de neutrinos, incluido IceCube, ha detectado eventos similares de energía ultraalta. Esto sugiere que tales partículas son excepcionalmente raras, lo que significa que cualquier explicación propuesta también explica la falta de detecciones comparables.
El modelo Blazer cumple con éxito esa restricción.
El equipo también probó si la población de blazares propuesta produciría muchos más rayos gamma que el conocido fondo de rayos gamma extragaláctico medido por Fermi. Sus resultados fueron consistentes con las observaciones existentes.
Al final, los investigadores descubrieron que una población realista de blazares podría explicar el extraordinario fenómeno de los neutrinos.
“Modelamos una población realista de blazares con parámetros inspirados físicamente, y descubrimos que esta población de blazares puede explicar el origen de estos eventos de energía ultra alta, al mismo tiempo que es consistente con nuestras limitaciones en las observaciones de rayos gamma y neutrinos”, dijo Bendahmann.
KM3NeT puede revelar eventos cósmicos aún más extremos
Los científicos advierten que se necesita más evidencia antes de que se pueda confirmar la explicación del blazar.
“Necesitamos más datos de observación”, explica Bendahmann. “KM3NeT todavía está en construcción y sólo detectamos estos neutrinos de energía ultraalta con una configuración parcial. Con un detector completo y más datos, podremos realizar análisis estadísticos más sólidos y abrir una nueva ventana al universo de neutrinos de energía ultraalta”.
Si futuras observaciones respaldan la teoría, los hallazgos podrían cambiar la comprensión de los científicos sobre cómo funcionan los blazares y cuán poderosos pueden ser.
“Nunca antes habíamos visto un neutrino de tan alta energía, y si proviene de un acelerador cósmico como un blazar”, concluye Bendahmann, “nos dará una nueva visión de cómo estos objetos pueden emitir partículas con energías más altas de lo que esperábamos anteriormente”.
