El origen de los neutrinos cósmicos de alta energía observado por el Observatorio de Neutrinos IceCube, cuyo detector está enterrado en las profundidades del hielo antártico, es un enigma que ha dejado perplejos a físicos y astrónomos. Un nuevo modelo podría ayudar a explicar el flujo inesperadamente grande de algunos de estos neutrinos inferido por datos recientes de neutrinos y rayos gamma. Un artículo de investigadores de Penn State que describe el modelo, que apunta a los agujeros negros supermasivos que se encuentran en los núcleos de las galaxias activas como las fuentes de estos misteriosos neutrinos, aparece el 30 de junio, 2020 en la revista Cartas de revisión física .

"Los neutrinos son partículas subatómicas tan pequeñas que su masa es casi nula y rara vez interactúan con otra materia, "dijo Kohta Murase, profesor asistente de física y de astronomía y astrofísica en Penn State y miembro del Center for Multimessenger Astrophysics en el Institute for Gravitation and the Cosmos (IGC), quien dirigió la investigación. "Los neutrinos cósmicos de alta energía son creados por aceleradores energéticos de rayos cósmicos en el universo, que pueden ser objetos astrofísicos extremos como agujeros negros y estrellas de neutrones. Deben ir acompañadas de rayos gamma u ondas electromagnéticas a energías más bajas, e incluso a veces ondas gravitacionales. Entonces, esperamos que los niveles de estos diversos "mensajeros cósmicos" que observamos estén relacionados. Curiosamente, los datos de IceCube han indicado un exceso de emisión de neutrinos con energías por debajo de 100 teraelectron volt (TeV), en comparación con el nivel de los correspondientes rayos gamma de alta energía vistos por el telescopio espacial de rayos gamma Fermi ".

Los científicos combinan información de todos estos mensajeros cósmicos para aprender sobre los eventos del universo y reconstruir su evolución en el floreciente campo de la "astrofísica de múltiples mensajeros". Para eventos cósmicos extremos, como explosiones estelares masivas y chorros de agujeros negros supermasivos, que crean neutrinos, este enfoque ha ayudado a los astrónomos a identificar las fuentes distantes y cada mensajero adicional proporciona pistas adicionales sobre los detalles de los fenómenos.

Para neutrinos cósmicos por encima de 100 TeV, Investigaciones previas del grupo de Penn State demostraron que es posible tener concordancia con rayos gamma de alta energía y rayos cósmicos de energía ultra alta, lo que encaja con una imagen de múltiples mensajeros. Sin embargo, existe una creciente evidencia de un exceso de neutrinos por debajo de 100 TeV, que no se puede explicar simplemente. Muy recientemente, el Observatorio de Neutrinos IceCube informó de otro exceso de neutrinos de alta energía en la dirección de una de las galaxias activas más brillantes, conocido como NGC 1068, en el cielo del norte.

"Sabemos que las fuentes de neutrinos de alta energía también deben crear rayos gamma, así que la pregunta es:¿Dónde están estos rayos gamma que faltan? ", dijo Murase." Las fuentes están de alguna manera ocultas a nuestra vista en los rayos gamma de alta energía, y el balance de energía de los neutrinos liberados en el universo es sorprendentemente grande. Los mejores candidatos para este tipo de fuente tienen entornos densos, donde los rayos gamma serían bloqueados por sus interacciones con la radiación y la materia, pero los neutrinos pueden escapar fácilmente. Nuestro nuevo modelo muestra que los sistemas de agujeros negros supermasivos son sitios prometedores y el modelo puede explicar los neutrinos por debajo de 100 TeV con requisitos energéticos modestos ".

El nuevo modelo sugiere que la corona, el aura de plasma supercaliente que rodea a las estrellas y otros cuerpos celestes, alrededor de los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el núcleo de las galaxias, podría ser una de esas fuentes. Análoga a la corona que se ve en una imagen del Sol durante un eclipse solar, Los astrofísicos creen que los agujeros negros tienen una corona sobre el disco giratorio de material, conocido como disco de acreción, que se forma alrededor del agujero negro a través de su influencia gravitacional. Esta corona es extremadamente caliente (con una temperatura de aproximadamente mil millones de grados kelvin), magnetizado y turbulento. En este entorno, las partículas pueden acelerarse, lo que conduce a colisiones de partículas que crearían neutrinos y rayos gamma, pero el ambiente es lo suficientemente denso como para evitar el escape de rayos gamma de alta energía.

"El modelo también predice contrapartes electromagnéticas de las fuentes de neutrinos en rayos gamma 'suaves' en lugar de rayos gamma de alta energía, ", dijo Murase." Los rayos gamma de alta energía se bloquearían, pero este no es el final de la historia. Eventualmente, caerían en cascada a energías más bajas y se liberarían como rayos gamma `` suaves '' en el rango de megaelectrones voltios, pero la mayoría de los detectores de rayos gamma existentes, como el telescopio espacial de rayos gamma Fermi, no están sintonizados para detectarlos ".

Hay proyectos en desarrollo que están diseñados específicamente para explorar esa emisión de rayos gamma suaves desde el espacio. Es más, detectores de neutrinos de próxima y próxima generación, KM3Net en el mar Mediterráneo y IceCube-Gen2 en la Antártida serán más sensibles a las fuentes. Los objetivos prometedores incluyen NGC 1068 en el cielo del norte, para el que se informó el exceso de emisión de neutrinos, y varias de las galaxias activas más brillantes del cielo austral.

"Estos nuevos detectores de rayos gamma y neutrinos permitirán búsquedas más profundas de emisiones de múltiples mensajeros de las coronas supermasivas de agujeros negros," ", dijo Murase." Esto permitirá examinar críticamente si estas fuentes son responsables del gran flujo de neutrinos de nivel medio de energía observado por IceCube como predice nuestro modelo ".