Descubren un punto del universo que emite neutrinos de alta energía

El neutrino es una de las partículas fundamentales del universo. Los neutrinos tienen una naturaleza casi fantasmal: no poseen carga eléctrica, tienen una masa muy pequeña y apenas interactúan con la materia. También son las partículas con masa más abundantes del universo, y pueden producirse mediante diversos procesos, como la desintegración de partículas pesadas, las reacciones nucleares en el Sol y las explosiones estelares.

Los instrumentos en la Tierra detectan neutrinos de alta energía procedentes del espacio desde la década de 1960, pero identificar su origen sigue siendo uno de los grandes desafíos de la astronomía. Aunque algunas fuentes cercanas de neutrinos sí han podido ser identificadas, estas no pueden explicar la cantidad total de neutrinos que nuestros instrumentos registran procedentes de todo el universo, un flujo general que se conoce como fondo cósmico de neutrinos. Por ello, se sospecha que existen otras poblaciones importantes de fuentes que aún permanecen ocultas.

En un nuevo estudio, un equipo internacional encabezado por Yuji Urata, del Instituto de Astronomía adscrito a la Universidad Central Nacional de Taiwán, ha realizado el análisis de una nueva candidata a fuente de neutrinos: una galaxia extremadamente brillante, JCMT0402−0424, apodada “Shadow Blaster”. Esta galaxia se encuentra a unos once mil millones de años-luz de distancia, tiene una luminosidad en el infrarrojo miles de millones de veces superior a la del Sol y podría proporcionar el vínculo tan buscado entre la producción de neutrinos de alta energía y las galaxias lejanas con una gran actividad de formación de estrellas.

El descubrimiento fue posible en parte gracias a las observaciones del telescopio Gemini Norte, que forma parte del Observatorio Internacional Gemini, financiado en parte por la Fundación Nacional de Ciencia (NSF) de Estados Unidos y operado por el NOIRLab de NSF. El estudio también se basó en observaciones del Telescopio James Clerk Maxwell (JCMT), operado por el Observatorio de Asia Oriental, y del SMA (Submillimeter Array), un observatorio conjunto del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian y el Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sinica. Estos tres telescopios se encuentran en la cima del Maunakea, en Hawái.

En 2021, el Observatorio de Neutrinos IceCube de la NSF, ubicado en la Antártida, alertó a la comunidad científica sobre un caso de neutrino de alta energía denominado IC 210922A, procedente de una región del espacio en dirección a la constelación de Erídano. Esta alerta desencadenó rápidas observaciones de seguimiento en distintas longitudes de onda para buscar una señal asociada que, de detectarse, pudiera ayudar a identificar la fuente del neutrino.

Así, varios equipos de científicos realizaron observaciones de seguimiento con distintos telescopios e instrumentos. Sin embargo, ninguno detectó un objeto astronómico convincente en rayos gamma, rayos X o luz visible, ni tampoco un estallido de rayos gamma, una supernova o el despedazamiento de una estrella por un agujero negro, que pudiera asociarse con la alerta.

Dos días después de la alerta inicial, Urata y su equipo iniciaron observaciones con el JCMT y el SMA y descubrieron a Shadow Blaster, cuya posición y brillo lo convertían en una candidata prometedora para explicar la fuente de la señal. Para investigar esta galaxia con mayor detalle, el equipo organizó observaciones de seguimiento con el observatorio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), y descubrió que Shadow Blaster se encuentra detrás de una potente lente gravitacional. Una lente gravitacional es un efecto que se produce cuando una galaxia muy masiva situada en primer plano curva el espacio-tiempo y actúa como una lupa cósmica, ampliando (pero también distorsionando) la imagen de una galaxia más lejana ubicada detrás de ella. En este caso, la lente gravitacional amplificó el brillo en la banda infrarroja de Shadow Blaster lo bastante como para poder efectuar observaciones esclarecedoras.

Esta imagen muestra la galaxia apodada “Shadow Blaster”, vista con lente gravitacional, que ha sido identificada como la probable fuente del neutrino de alta energía IC 210922A, detectado por el Observatorio de Neutrinos IceCube en 2021. El efecto de lente gravitacional se produce cuando una galaxia muy masiva en primer plano curva el espacio-tiempo, actuando como una lupa cósmica que amplía y distorsiona la imagen de una galaxia más lejana ubicada detrás de ella. En este caso, la galaxia roja en primer plano está curvando la luz de la galaxia Shadow Blaster, más lejana, creando múltiples imágenes distorsionadas de ella que se ven como arcos amarillos. Esta imagen compuesta se creó utilizando datos del ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) y del telescopio Gemini Norte, uno de los dos del Observatorio Internacional Gemini. (Imagen: International Gemini Observatory / NOIRLab / NSF / AURA / ALMA (ESO/NAOJ/NRAO). Procesamiento de la imagen: T.A. Rector (University of Alaska Anchorage / NSF NOIRLab), D. de Martin & M. Zamani (NSF NOIRLab). Agradecimientos a: PI: Yuji Urata / MITOS Science Co., LTD.). CC BY)

Gracias a este efecto de lente, el equipo pudo estudiar la estructura interna de Shadow Blaster, que de otro modo estaría demasiado lejos y sería demasiado tenue para observarla con ese nivel de detalle. Sin embargo, para utilizar correctamente el efecto de lente y determinar cuánto amplificaba la señal de neutrinos, primero necesitaban conocer la distancia, la naturaleza y la distribución de masa de la galaxia que estaba en primer plano. Para descifrar estos detalles, utilizaron dos potentes instrumentos de Gemini Norte: el Espectrógrafo Multiobjetos de Gemini (GMOS) y el Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano de Gemini (GNIRS).

“Los datos combinados de GMOS y GNIRS nos ayudaron a medir la distancia a la galaxia vista con lente gravitatoria y a determinar que se trata de una galaxia elíptica masiva. Esta información fue crucial para estimar la distribución de masa de la lente y construir un modelo de lente gravitacional”, explica Urata.

Al combinar este modelo con los datos de las imágenes obtenidas por el ALMA, se descubrió que la región central de Shadow Blaster alberga un núcleo extremadamente compacto y densamente repleto de gas y polvo, donde se forman nuevas estrellas a un ritmo extraordinario. Los modelos teóricos predicen que un entorno tan extremo puede actuar como un acelerador natural de partículas, donde las partículas energéticas chocan repetidamente con el gas y producen neutrinos. Además, Shadow Blaster no muestra indicios de albergar un agujero negro activo, lo que sugiere claramente que los neutrinos de alta energía pueden producirse no solo en los espectaculares chorros asociados a agujeros negros observados en galaxias cercanas, sino también en regiones de formación estelar intensa y densa, comunes en galaxias muy lejanas.

Hace unos 10 000 millones de años, el universo estaba poblado de galaxias como Shadow Blaster, en las cuales nacían estrellas a un ritmo intenso. Durante esa época, las galaxias producían teóricamente grandes cantidades de rayos cósmicos, corrientes de partículas de alta energía capaces de generar neutrinos. Sin embargo, obtener pruebas observacionales que vinculen un evento de neutrinos específico con una galaxia tan distante ha sido extremadamente difícil, ya que estos objetos suelen encontrarse muy lejos y ocultos tras densas capas de polvo. La afortunada ubicación de Shadow Blaster detrás de una lente gravitacional ha hecho mucho más accesible encontrar esta evidencia observacional.

“Shadow Blaster posee el tipo de entorno denso y rico en gas que, según sugieren desde hace tiempo los modelos teóricos, podría producir neutrinos de alta energía de manera eficiente”, señala Urata. Sumado a la ausencia de cualquier otra contraparte más convincente, pese a las exhaustivas observaciones de seguimiento, Shadow Blaster es la candidata más plausible para ser la fuente de IC 210922A. “Si se confirma, Shadow Blaster sería la primera galaxia polvorienta con una muy intensa actividad de formación estelar vinculada directamente a un evento de neutrinos de alta energía”.

Las galaxias compactas con una muy intensa actividad de formación estelar como Shadow Blaster podrían ser abundantes en todo el universo. Como población, podrían contribuir de forma significativa al fondo de neutrinos de alta energía que llena el cosmos. “Nuestro análisis sugiere que esta población podría aportar hasta aproximadamente un 20% del fondo difuso de neutrinos observado y medido por IceCube”, concluye Urata.

El estudio se titula “Compact dusty starbursts at cosmic noon linked to high-energy neutrinos”. Y se ha publicado en la revista académica Nature Astronomy. (Fuente: Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) / Carolina Vargas)