Desde hace unos días, algunos medios afirman que se ha descubierto una partícula fantasma. Además, se asegura que esto nos abre una nueva puerta en la astronomía. Pero, ¿qué es exactamente lo que se ha descubierto y a dónde nos lleva todo esto?

La «partícula fantasma» es un neutrino

El descubrimiento de la "partícula fantasma"... ¿qué significa?
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Concepto artístico de TXS 0506+056, mostrando un chorro de energía expulsado desde el agujero negro supermasivo.
Crédito: DESY, Science Communication Lab

Hay que empezar diciendo que no se ha descubierto una nueva partícula, ni nada similar. La partícula fantasma no es más que un neutrino. En realidad, precisamente eso es lo que hace todo este asunto tan interesante. En 2017 se llevó a cabo una gran campaña de observación en todo el planeta en busca de intentar responder a una pregunta que ha perseguido a los astrónomos: ¿cuál es la fuente de los neutrinos de alta energía?

Los neutrinos son partículas subatómicas que se crean en reacciones nucleares. Tienen la particularidad de apenas interactuar con la materia y la luz. Es decir, si lanzas un protón o un electrón contra algo sólido, no tardará mucho en ser absorbido, dispersado o verse afectado. El neutrino, sin embargo, atraviesa todo como si no existiese. De una forma literal. No hay barreras que lo puedan detener, por decirlo así.

Pero, a veces cabe una mínima posibilidad de que un neutrino interactúe con algo. Que choque con un núcleo atómico y reaccione con él. Cuando eso sucede, se forma una partícula subatómica que se mueve a una velocidad muy cercana a la de la luz. Puede, incluso, llegar a viajar más rápido que la velocidad de la luz en ese medio (salvo en el vacío, porque nada puede viajar más rápido que la luz en el vacío, a 300 000 km/s).

La radiación de Cherenkov y la partícula fantasma

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Recreación artística de un agujero negro supermasivo.
Crédito: NASA/JPL-Caltech

Cuando eso sucede, se emite algo que llamamos radiación de Cherenkov. Tiene un brillo azul característico y puede detectarse. Pero aquí es donde entramos en el terreno pantanoso. En todos estos años, solo conocíamos dos fuentes de neutrinos. La primera es el Sol. Los crea en su interior durante la fusión de hidrógeno a helio. Cada segundo, por centímetro cuadrado, 65 000 millones de neutrinos atraviesan la Tierra.

La otra fuente no es persistente. Fue un evento: SN 1987A. La supernova de 1987, una estrella que explotó en una galaxia cercana. De ella, se detectaron 25 neutrinos. Ese es todo nuestro bagaje a la hora de cazar neutrinos. El Sol como fuente de emisión constante y un puñado de neutrinos de una supernova que tuvo lugar hace más de tres décadas. No se conocía ninguna otra fuente para esta llamada partícula fantasma.

Porque, todo sea dicho, es cierto que el nombre de partícula fantasma no es completamente erróneo. No si tenemos en cuenta su comportamiento. En cualquier caso, esa falta de fuentes de neutrinos es desconcertante. Porque los detectores de neutrinos los detectan con cierta frecuencia. Probablemente una fuente con muchísima energía. Todo eran sospechas hasta hace muy poco. Ahora tenemos una tercera fuente.

La partícula fantasma y IceCube

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Esta imagen muestra la detección del neutrino de TXS 0506+056.
Crédito: The IceCube Collaboration

IceCube ha detectado un neutrino y podría ser clave para entender de dónde proceden muchos de esos neutrinos de alta energía. La fuente es el agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia (TXS 0506+056) a 4 000 millones de años-luz. Pero, ¿cómo podemos tener esa certeza con un único neutrino? IceCube es un observatorio atípico. Está en la Antártida, enterrado bajo una gran capa de hielo.

Está formado por 5 000 sensores ópticos que pueden detectar destellos de luz. La matriz está organizada en 86 columnas verticales, en el hielo, con profundidades de 1,4 a 2,5 kilómetros bajo la superficie. ¿Por qué tanta profundidad? Para evitar que la luz de otras fuentes pueda llegar hasta ellos. En realidad, IceCube no detecta neutrinos directamente. La detección de esa partícula fantasma se hace de manera indirecta.

Si un neutrino de alta energía golpea un núcleo atómico en el hielo que rodea a la matriz, una partícula subatómica (un muón, si te pica la curiosidad) sale despedido a una velocidad altísima. El proceso crea un brillo azul que, a medida que se mueve la partícula, se desplaza. Así que es posible, a partir de ese movimiento, deducir cuál era la dirección inicial del neutrino de alta energía que desencadenó todo el proceso.

La partícula fantasma procede de un blazar

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Este diagrama muestra la detección del neutrino teniendo en cuenta la ubicación de IceCube.
Crédito: The IceCube Collaboration/NSF

El 22 de septiembre de 2017, IceCube detectó un evento muy energético. La fuente parecía estar al oeste de Orión. Es la dirección en la que nos encontramos con TXS 0506+056. Es un blazar o, si lo prefieres, una galaxia activa. Y no es muy diferente a un quásar. ¿Qué es una galaxia activa? Simplemente, una galaxia cuyo agujero negro supermasivo está absorbiendo material. Algo que la Vía Láctea no está haciendo desde hace mucho tiempo.

Sin embargo, en otras galaxias sí está sucediendo. El agujero negro supermasivo en su centro está absorbiendo material. Esto provoca que se genere un disco a su alrededor. La gravedad de un agujero negro provoca que las partes internas del disco giren a velocidades muy altas, cercanas a la de la luz. Las partes más externas, sin embargo, se mueven más lentamente. Algo que provoca que la fricción sea un factor muy importante.

El gas se calienta a millones de grados y se emite energía en todo el espectro electromagnético. Esto también afecta al campo magnético, convirtiéndolo en una especie de cañón. Es tan fuerte que arranca material del disco y lo expulsa al espacio a casi la velocidad de la luz. Lo hace en dos conos que tienen una cantidad de energía gigantesca. Tanto que pueden ser vistos desde miles de millones de años-luz de distancia.

En busca de la galaxia TXS 0506+056

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Esquema de una galaxia activa.
Crédito: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

Si ese chorro de energía está inclinado en un ángulo respecto a la Tierra, decimos que es un quásar. Si está orientado de frente a nosotros, es un blazar. Los blazares tienen la particularidad de permitirnos ver la parte mas energética que producen los centros de galaxias activas. Es decir, la diferencia entre un quásar y un blazar es, simplemente, su orientación respecto a la Tierra. Es en esos lugares donde, en ocasiones, se generan neutrinos de alta energía.

Así que la partícula fantasma detectada por IceCube procede de ese lugar. De hecho, el propio observatorio tardó menos de un minuto (43 segundos) en avisar a los astrónomos de todo el mundo, con información sobre el evento y la ubicación. En cuestión de horas, se había detectado la galaxia y se había comprobado que, efectivamente, está activa. Estaba emitiendo, en ese momento, rayos gamma cinco veces más rápido de lo normal.

De hecho, TXS 0506+056 estaba emitiendo más energía de lo que es habitual en estos casos. Parece lógico suponer que algo debe haber sucedido para que el disco de acreción del agujero negreo estuviese aún más activo de lo normal. Quizá una nube de gas que se precipitó contra el disco, o una estrella que se acercase demasiado al centro de la galaxia. Esas podrían ser algunas de las posibles explicaciones.

Una partícula fantasma procedente de una galaxia distante… ¿o no?

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Impresión artística del quásar ULAS J1120+0641, uno de los más distantes conocidos.
Crédito: ESO/M. Kornmesser

Casi con toda seguridad, el neutrino detectado por IceCube (de los muchos que, en ese momento, debieron atravesar nuestro planeta procedentes desde esa galaxia) tiene su origen en la galaxia TXS 0506+056. Sin embargo, el observatorio ha detectado en alguna ocasión neutrinos que parecen proceder del espacio profundo pero, en realidad, tienen su origen en nuestra atmósfera. En este caso en particular, se cree que hay menos de un 1% de probabilidad de que su origen sea local.

Así que, por primera vez, se ha detectado un neutrino procedente del espacio profundo. Ahora, habiendo confirmado la fuente de ese neutrino, hay varias detecciones anteriores que se cree que proceden de este mismo lugar. Gracias a este tipo de observaciones, si se detectan más neutrinos en el futuro, será posible estudiar los blazares y quásares. ¿Qué sucede en ellos? Es algo que ahora podemos comprender mejor.

Porque, junto a las ondas gravitacionales, tenemos una nueva forma de estudiar el firmamento. Otro canal que nos permitirá estudiar objetos conocidos. Aunque, de momento, tranquilidad. Por ahora, ya se está pensando en mejorar las instalaciones de IceCube para poder detectar más fenómenos. Pero hay que tener presente que la llamada «partícula fantasma» no es nueva, sino que se trata de neutrinos.

El estudio es The IceCube Collaboration, Fermi-LAT, MAGIC, AGILE et al.; «Multimessenger observatioons of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A». Publicado en la revista Science el 13 de julio de 2018. Puede ser consultado en este enlace.

Referencias: Bad Astronomy, IFLScience