Astrónomos crean mapa de la Vía Láctea utilizando solamente neutrinos

La astronomía de neutrinos está en auge. El pasado junio se publicó uno de los mapas más esperados de la Vía Láctea, confeccionado utilizando neutrinos en vez de luz. La información que permitió crear este mapa provenía del observatorio IceCube, situado bajo el polo sur. Este observatorio consiste en un gigantesco sistema de más de 5000 sensores, enterrados a más de kilómetro y medio de profundidad bajo el cielo de la Antártida. Durante más de 10 años este observatorio ha estado detectando neutrinos lentamente y determinando su proveniencia, lo que ha permitido ahora confeccionar este mapa.

La astronomía de neutrinos es una de las nuevas ventanas que hemos abierto al universo recientemente. Durante toda la historia de la astronomía, el universo se ha estudiado por la luz que emitían o absorbían sus componentes. Desde hace pocas décadas hemos añadido las ondas gravitatorias y los neutrinos a nuestro arsenal de métodos de estudio del universo. Esta nueva astronomía ya está dando resultados impresionantes y seguirá haciéndolo cuando se complete la construcción de los varios detectores de neutrinos en desarrollo en distintos lugares del mundo.

Los neutrinos observados proceden de procesos astrofísicos muy diversos y de otros desconocidos. La fusión nuclear que sirve de fuente de energía al Sol y al resto de estrellas del cosmos es una importante fuente de neutrinos. También en la Tierra se producen estas elusivas partículas, durante la desintegración radiactiva de algunos núcleos atómicos o durante la colisión de partículas energéticas con nuestra atmósfera.

Durante estos años de investigación se han observado neutrinos provenientes del sol y de nuestra galaxia, pero sobre todo de fuentes extragalácticas. Una fuente muy importante son los agujeros negros supermasivos que dan lugar a los conocidos como núcleos activos de galaxias (o AGN por sus siglas en inglés). Las altísimas energías que se alcanzan en la región que rodea a uno de estos objetos podría permitirnos estudiar procesos inimaginables en la Tierra. La capacidad de los neutrinos para atravesar la materia sin inmutarse nos permite llegar donde ningún tipo de luz puede llevarnos.

El objetivo principal del observatorio IceCube ha sido el de estudiar los neutrinos más energéticos y con ello los fenómenos astrofísicos que los emiten. Sus sensores permiten captar neutrinos con energías miles de veces superiores a las de los neutrinos emitido por el Sol o en los procesos de fusión nuclear de cualquier estrella. Estos neutrinos de alta energía pueden ayudarnos también a resolver uno de los misterios de la astrofísica actual: el origen de los rayos cósmicos que alcanzan la Tierra constantemente. Detectar los neutrinos provenientes del centro de nuestra galaxia traía un problema experimental y es que la mayoría de los neutrinos que alcanzan el detector IceCube provienen de colisiones en la atmósfera terrestre. Por tanto han sido necesarios años de observaciones para distinguir entre los neutrinos atmosféricos y los verdaderamente provenientes de las regiones centrales de la Vía Láctea.

Por otro lado, este detector parece no estar situado en el lugar más idóneo para estas observaciones. Los detectores de neutrinos suelen construirse bajo agua, tierra o hielo para minimizar la radiación de fondo que obtienen. La señal más limpia, la que contenga más neutrinos extraterrestres, será aquella que provenga del lado opuesto del planeta. Pero el centro galáctico, situado en la constelación de Sagitario, se encuentra siempre sobre el horizonte del polo sur. Esto no ha impedido obtener los resultados buscados, simplemente ha requerido de mayor esfuerzo para hacerlo. Se han analizado casi 60 000 detecciones de neutrinos de altas energías (superiores a los 500 GeV) diferentes entre 2011 y 2021. Alrededor de un 7 % de lo neutrinos observados provenían de más allá del sistema solar. Este pequeño porcentaje tenía su origen distribuido por todo el cielo, pero destacaba un número mayor que se concentraba en las regiones de la Vía Láctea que mostraban emisiones intensas en rayos gamma, el tipo de luz más energético.

Actualmente los datos no han mostrado ninguna fuente puntual para estos neutrinos, lo que sugeriría que se han formado en el espacio interestelar y no en astros concretos, aunque la ampliación del observatorio a neutrinos de menor energía podría arrojar más información sobre el asunto. De encontrarse fuentes puntuales, estas podrían empezar a resolver el enigma de los rayos cósmicos. Otra ventaja de los neutrinos es que al ser neutros eléctricamente, no cambian su trayectoria a merced de los campos magnéticos que llenan la galaxia.

Aunque hasta ahora no se hayan encontrado esas fuentes puntuales, las observaciones del IceCube sí han permitido descartar una de las fuentes que los astrofísicos consideraban más probables a la hora de emitir neutrinos de alta energía: los conocidos como estallidos de rayos gamma, explosiones de supernova especialmente energéticas. Estas explosiones liberan grandísimas cantidades de energía, pero se cree que por sí mismas no podrían formarse los rayos cósmicos y neutrinos que observamos.

Más allá de nuestra galaxia sin embargo sí se han utilizado neutrinos para localizar alguna fuente puntual, como es el caso de algún núcleo activo de galaxia. En 2018 se detectó un único y energético neutrino que provenía del AGN de la galaxia NGC 1068. Esta detección debería estar ligada a la detección de rayos cósmicos. Su ausencia parece indicarnos que el núcleo de esta galaxia debe estar rodeado por densas nubes de material que impiden a las partículas menos elusivas que el neutrino alcanzarnos.

Hay ahora mismo planes para construir observatorios de neutrinos tanto o más capaces como el IceCube en las profundidades del océano Pacífico cerca de Vancouver, en el mar Mediterráneo y en Siberia. Estos detectores sin lugar a duda nos darán importantes descubrimientos en los próximos años y las próximas décadas.

Referencias: