Els telescopis MAGIC troben l'origen d'un neutrí còsmic

Per primera vegada s'ha localitzat la font d'un neutrí còsmic provinent de fora de la Via Làctia. El neutrí prové, molt probablement, d'un forat negre actiu en el centre d'una galàxia a la constel·lació d'Orió. La recerca, publicada a Science, ha comptat amb la participació de la UAB i de l’IFAE

12/07/2018

Els neutrins són partícules elementals que pràcticament no interaccionen amb el món que ens envolta. Encara que són difícils de detectar, els neutrins són missatgers còsmics importants, ja que porten amb si informació excepcional sobre les regions on són produïts.

El detector més gran especialitzat a caçar aquestes partícules elusives és IceCube, situat al Pol Sud. Detecta uns 200 neutrins per dia, però, la majoria són de baixa energia i són produïts per rajos còsmics que interaccionen amb l'atmosfera terrestre.

Un neutrí que va desencadenar observacions multi-missatger

El 22 de setembre de 2017 IceCube va detectar un neutrí que era especial: la seva molt alta energia (aproximadament 290 bilions d'electronvolts) indicava que la partícula es podria haver originat en un objecte celeste llunyà. Els científics també van poder determinar la seva direcció d'arribada amb alta precisió.

"La teoria prediu que l'emissió de neutrins està acompanyada per l'emissió de partícules de la llum, també anomenades fotons", explica Razmik Mirzoyan, portaveu de la col·laboració MAGIC i científic de l'Institut Max Planck de Física. "Els fotons són radiació electromagnètica que pot detectar-se amb telescopis". Per això, l'alerta del neutrí va ser enviada a nombrosos instruments amb l'esperança que les seves observacions poguessin destriar l’origen del neutrí.

De fet, Fermi-LAT, un observatori espacial que estudia tot el cel, va comunicar que la direcció del neutrí estava alineada amb una font de raigs gamma (fotons d'alta energia) en estat actiu: el blazar TXS 0506 + 056. A més, MAGIC, dos telescopis de 17 metres que detecten raigs gamma d'altes energies des de la terra, va descobrir que la radiació del blazar arriba a energies d'almenys 500 mil milions d'electronvolts.

Aquestes troballes combinades amb la direcció del neutrí fan que el blazar sigui un candidat probable per a la font de neutrins. TXS 0506 + 056 és un nucli actiu de galàxia, a una distància de 4500 milions d'anys llum de la Terra. Disposa d'un forat negre super-massiu que emet jets ("dolls") - un flux de partícules i radiació energètica que es mouen gairebé a la velocitat de la llum.

Un rastre de la radiació còsmica

Com la creació dels neutrins està sempre associada a interaccions de protons, les observacions poden ajudar a resoldre un vell misteri: el fins ara desconegut lloc de naixement de la radiació còsmica, descoberta pel físic Victor Hess en 1912. Els raigs còsmics consisteixen majoritàriament de protons d'altes energies. "El neutrí còsmic ens diu que el blazar és capaç d'accelerar protons a molt altes energies - i per això podria ser una font de la radiació còsmica", diu Elisa Bernardini, científica de DESY Zeuthen (Alemanya).

Hi ha una raó per la qual les fonts de raigs còsmics són tan difícils de trobar. "Els protons de càrrega elèctrica positiva són desviats pels camps magnètics a l'espai", continua Bernardini. "Per això no viatgen en línies rectes, no podem veure la direcció d'on vénen". En canvi, els neutrins i els fotons, com que no tenen càrrega elèctrica, viatgen per l'univers sense desviar-se. Això permet identificar els objectes astrofísics en què es van originar.

Descendent de protons en el jet

No obstant això, encara hi ha moltes preguntes en els processos intrínsecs en els blazar. "Estem investigant la localització dins de la font i els mecanismes que permeten accelerar protons, convertint-se així en els progenitors tant dels neutrins com dels fotons d'altes energies", diu Mirzoyan. Un estudi amb informació addicional obtinguda amb els telescopis MAGIC proporciona possibles respostes.

Després de l'alerta dels telescopis van observar el blazar durant 41 hores. Les dades indiquen que els protons estan interactuant en el jet del blazar. "Fins i tot més, el resultat confirma que a part del neutrí, els raigs gamma (fotons d'alta energia) són produïts com a mínim parcialment per protons d'alta energia - i no per interaccions d'altres partícules en el jet. Aquesta és la primera vegada que podem confirmar que tant els neutrins com els raigs gamma procedeixen del mateix progenitor, el protó", afegeix Mirzoyan.

Els científics van trobar una empremta molt clara en l'espectre de raigs gamma d'altes energies provinent de TXS 0506 + 056. "Veiem una pèrdua de fotons en un cert rang d'energies el que significa que han d'haver estat absorbits", diu Bernardini. "Aquesta empremta també implica que el neutrí d'IceCube podria ser el resultat de la interacció de protons amb els fotons dins el jet del blazar".

"Aquest resultat corrobora una connexió genuïna entre els missatgers de diferents partícules: el neutrí i els fotons", diu Mirzoyan. "La radiació gamma proporciona informació sobre com funcionen les" centrals elèctriques "en els forats negres super-massius: en particular, com es generen tan altes energies i quins processos de la física de partícules tenen lloc".

"El comitè científic que proposa les observacions de MAGIC va donar una prioritat molt alta a les alertes originades pels telescopis de neutrins, els interferòmetres d'ones gravitacionals i les missions espacials per detectar Explosions de raigs gamma. Amb aquestes observacions MAGIC està ja contribuint decisivament a obrir les noves finestres a l'univers", diu Manel Martínez, President del comitè d'assignació del temps d'observació de MAGIC i investigador de l'Institut de Física d'Altes Energies al campus de la UAB.

"Aquest treball pioner de coordinació entre tècniques d'observació de l'univers tan dispars en observatoris repartits per tot el globus, en els llocs més extrems, obre una nova era en la detecció dels missatgers còsmics, iniciant així una nova perspectiva en el coneixement multidimensional del cosmos", afegeix María Victoria Fonseca, Presidenta de la Junta de la Col·laboració MAGIC i Catedràtica de la Universitat Complutense de Madrid.

Els telescopis MAGIC

Els dos telescopis Cherenkov MAGIC estan localitzats a l'Observatori del Roque de los Muchachos. La comunitat espanyola participa en MAGIC des dels seus inicis a través dels següents centres de recerca públics: l’Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), el Departament de Física de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), la Universitat de Barcelona (UB) y la Universidad Complutense de Madrid (UCM). A més a més, el centre de dades de MAGIC és el Port d'Informació Científica (PIC), una col·laboració de l’IFAE y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT).