La primera vista de la Vía Láctea vista a través de una lente de neutrinos

Los datos recopilados por un observatorio en la Antártida produjeron nuestra primera vista de la Vía Láctea a través de una lente de neutrinos. Es la primera vez que vemos nuestra galaxia «pintada» con una partícula, en lugar de con diferentes longitudes de onda de luz.

Resultados, Publicado en Ciencias, proporciona a los investigadores una nueva ventana al universo. Se cree que los neutrinos son producidos en parte por partículas cargadas de alta energía llamadas rayos cósmicos que chocan con otra materia. Debido a nuestro equipo de detección limitado, todavía no sabemos mucho sobre los rayos cósmicos. Por lo tanto, los neutrinos son otra forma de estudiarlos.

Se ha especulado desde la antigüedad que la Vía Láctea que vemos curvándose en el cielo nocturno está formada por estrellas como nuestro Sol. En el siglo XVIII, se reconoció como un panel de estrellas que vemos desde el interior. Solo han pasado 100 años desde que supimos que la Vía Láctea es, de hecho, una galaxia, o «universo isla», una entre cien mil millones de otras.

En 1923, el astrónomo estadounidense edwin hubble Identificó un tipo de púlsar llamado variable Cefeida en lo que entonces se conocía como la Nebulosa de Andrómeda (una nube gigante de polvo y gas). Gracias al trabajo anterior de Henrietta Swan-Levitt, esto proporcionó una medida de la distancia entre la Tierra y Andrómeda.

Esto mostró que Andrómeda era una galaxia tan lejana como la nuestra, resolviendo un debate de larga data y completamente incomprensible sobre nuestro lugar en el universo.

ventanas abiertas

Luego, cuando se abrieron nuevas ventanas astronómicas en el cielo, vimos nuestro hogar galáctico en muchas longitudes de onda de luz diferentes: en ondas de radio, en varios rangos infrarrojos, en rayos X y rayos gamma. Ahora, podemos ver nuestro hogar cósmico en los neutrinos, que tienen una masa muy baja e interactúan muy débilmente con otra materia, de ahí el nombre de «partículas fantasma».

Nuestra galaxia emite neutrinos cuando los rayos cósmicos chocan con la materia interestelar. Sin embargo, los neutrinos también son producidos por estrellas como el Sol, algunas estrellas en explosión o supernovas, y probablemente por la mayoría de los fenómenos de alta energía que observamos en el universo, como los estallidos de rayos gamma y los cuásares. Por lo tanto, pueden brindarnos una vista sin precedentes de los procesos altamente energéticos en nuestra galaxia, una vista que no podemos obtener usando solo la luz.

Para detectar el nuevo avance se requirió un «telescopio» bastante extraño enterrado a varios kilómetros de profundidad en la capa de hielo de la Antártida, bajo el Polo Sur. el Observatorio de neutrinos IceCube Utiliza gigatoneladas de hielo altamente transparente bajo una enorme presión para revelar una forma de energía llamada radiación Cherenkov.

Esta débil radiación es emitida por partículas cargadas, que pueden viajar en el hielo más rápido que la luz (pero no en el vacío). Las partículas consisten en neutrinos entrantes, que provienen de la colisión de rayos cósmicos en la galaxia, golpeando los átomos en el hielo.

Los rayos cósmicos son principalmente partículas de protones (que forman el núcleo atómico con neutrones), junto con algunos núcleos pesados ​​y electrones. Hace aproximadamente un siglo, se descubrió que llovía sobre la tierra de manera uniforme desde todas las direcciones. Todavía no conocemos con certeza todas sus fuentes, ya que sus direcciones de viaje están confundidas por los campos magnéticos presentes en el espacio interestelar.

en las profundidades del hielo

Los neutrinos pueden actuar como trazadores únicos de las interacciones de los rayos cósmicos en las profundidades de la Vía Láctea. Sin embargo, las partículas fantasma también se generan cuando los rayos cósmicos golpean la atmósfera de la Tierra. Entonces, los investigadores que usaban los datos de IceCube necesitaban una forma de distinguir entre los neutrinos de origen «astrofísico», los que se originan en fuentes extraterrestres, y los de los rayos cósmicos que chocan dentro de nuestra atmósfera.

Los investigadores se centraron en un tipo de interacción de neutrinos en el hielo llamado cascada. Esto da como resultado lluvias de luz aproximadamente esféricas y brinda a los investigadores un mejor nivel de sensibilidad a los neutrinos astrofísicos que la Vía Láctea. Esto se debe a que la cascada proporciona una mejor medida de la energía de los neutrinos que otros tipos de interacciones, aunque es más difícil de reconstruir.

El análisis de diez años de datos de IceCube utilizando técnicas de aprendizaje automático de vanguardia arrojó casi 60 000 eventos de neutrinos con una energía de más de 500 gigaelectronvoltios (GeV). De estos, solo alrededor del 7% fueron de origen astrofísico, el resto se debió a la fuente de «fondo» de neutrinos generados en la atmósfera de la Tierra.

La hipótesis de que todos los eventos de neutrinos pueden ser causados ​​por rayos cósmicos que golpean la atmósfera de la Tierra fue categóricamente rechazada en un nivel de significación conocido como 4,5 sigma. En otras palabras, nuestro resultado solo tiene una probabilidad de 1 en 150,000 de ser una casualidad.

Esto está ligeramente por debajo del estándar 5 sigma tradicional para un reclamo de descubrimiento en física de partículas. Sin embargo, tal emisión de la Vía Láctea se espera con fundamento en astrofísica.

Con la próxima expansión del experimento –IceCube-Gen2 Será 10 veces más grande: adquiriremos más eventos de neutrinos y la imagen aburrida actual se convertirá en una vista detallada de nuestra galaxia, una que no hemos visto antes.