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    Partícula fantasma de estrella triturada revela acelerador de partículas cósmicas

    Pistola humeante:después de que el agujero negro supermasivo destrozó la estrella, Aproximadamente la mitad de los escombros de estrellas fueron arrojados al espacio, mientras que el resto formó un disco de acreción brillante alrededor del agujero negro. El sistema brilló intensamente en muchas longitudes de onda y se cree que produjo energía, salidas en forma de chorro perpendiculares al disco de acreción. Un central, un potente motor cerca del disco de acreción arrojaba estas rápidas partículas subatómicas. Crédito:DESY, Laboratorio de comunicación científica

    Rastreando una partícula fantasmal a una estrella destrozada, Los científicos han descubierto un gigantesco acelerador de partículas cósmicas. La partícula subatómica, llamado neutrino, fue arrojada hacia la Tierra después de que la estrella condenada se acercara demasiado al agujero negro supermasivo en el centro de su galaxia de origen y fuera destrozada por la gravedad colosal del agujero negro. Es la primera partícula que se puede rastrear hasta un 'evento de interrupción de las mareas' (TDE) y proporciona evidencia de que estas catástrofes cósmicas poco entendidas pueden ser poderosos aceleradores de partículas naturales, como informa el equipo dirigido por el científico de DESY, Robert Stein, en la revista Astronomía de la naturaleza. Las observaciones también demuestran el poder de explorar el cosmos a través de una combinación de diferentes 'mensajeros' como los fotones (las partículas de luz) y los neutrinos. también conocida como astronomía de mensajeros múltiples.

    El neutrino comenzó su viaje hace unos 700 millones de años, en la época en que se desarrollaron los primeros animales en la Tierra. Ese es el tiempo de viaje que la partícula necesitaba para llegar desde lejos, galaxia sin nombre (catalogada como 2MASX J20570298 + 1412165) en la constelación Delphinus (El Delfín) a la Tierra. Los científicos estiman que el enorme agujero negro es tan masivo como 30 millones de soles. "La fuerza de la gravedad se hace cada vez más fuerte, cuanto más te acercas a algo. Eso significa que la gravedad del agujero negro tira del lado más cercano de la estrella con más fuerza que del lado lejano de la estrella, conduciendo a un efecto de estiramiento, "explica Stein." Esta diferencia se llama fuerza de marea, y a medida que la estrella se acerca, este estiramiento se vuelve más extremo. Eventualmente destroza la estrella y luego lo llamamos un evento de interrupción de las mareas. Es el mismo proceso que conduce a las mareas oceánicas en la Tierra, pero afortunadamente para nosotros, la luna no tira lo suficientemente fuerte como para destrozar la Tierra ".

    Aproximadamente la mitad de los escombros de la estrella fueron arrojados al espacio, mientras que la otra mitad se asentó en un disco giratorio alrededor del agujero negro. Este disco de acreción es algo similar al vórtice de agua sobre el desagüe de una bañera. Antes de sumergirse en el olvido, la materia del disco de acreción se calienta cada vez más y brilla intensamente. Este resplandor fue detectado por primera vez por Zwicky Transient Facility (ZTF) en Mount Palomar en California el 9 de abril de 2019.

    Medio año después el 1 de octubre de 2019, el detector de neutrinos IceCube en el Polo Sur registró un neutrino extremadamente energético procedente de la dirección del evento de interrupción de las mareas. "Se estrelló contra el hielo de la Antártida con una energía notable de más de 100 teraelectronvoltios, "dice la coautora Anna Franckowiak de DESY, que ahora es profesor en la Universidad de Bochum. "Para comparacion, eso es al menos diez veces la energía máxima de partículas que se puede lograr en el acelerador de partículas más poderoso del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones en el laboratorio europeo de física de partículas CERN cerca de Ginebra ".

    A medida que la estrella se acerca al agujero negro, las enormes fuerzas de las mareas lo estiran cada vez más hasta que finalmente se hace trizas. La mitad de los escombros estelares es arrojada al espacio, mientras que la parte restante forma un disco de acreción giratorio desde el cual dos fuertes flujos de materia se disparan hacia arriba y hacia abajo. El sistema actúa como un potente acelerador de partículas naturales. Crédito:DESY, Laboratorio de comunicación científica

    Extremadamente ligero

    Los neutrinos extremadamente ligeros apenas interactúan con nada, capaz de pasar desapercibido no solo a través de paredes sino también de planetas o estrellas enteros, y, por lo tanto, a menudo se las denomina partículas fantasma. Entonces, incluso la captura de un solo neutrino de alta energía ya es una observación notable. El análisis mostró que este neutrino en particular tenía solo una posibilidad entre 500 de ser pura coincidencia con el TDE. La detección provocó más observaciones del evento con muchos instrumentos en todo el espectro electromagnético, desde ondas de radio hasta rayos X.

    "Este es el primer neutrino vinculado a un evento de interrupción de las mareas, y nos aporta pruebas valiosas, "explica Stein." Los eventos de interrupción de las mareas no se comprenden bien. La detección del neutrino apunta a la existencia de una central, Potente motor cerca del disco de acreción, escupiendo partículas rápidas. Y el análisis combinado de datos de radio, Los telescopios ópticos y ultravioleta nos brindan evidencia adicional de que el TDE actúa como un gigantesco acelerador de partículas ".

    Corazón de la oscuridad:una vista del disco de acreción alrededor del agujero negro supermasivo, con estructuras en forma de chorro que se alejan del disco. La masa extrema del agujero negro dobla el espacio-tiempo, permitiendo que el lado lejano del disco de acreción se vea como una imagen por encima y por debajo del agujero negro. Crédito:DESY, Laboratorio de comunicación científica

    Las observaciones se explican mejor por una salida energética de chorros rápidos de materia que salen disparados del sistema, que son producidos por el motor central y que duran cientos de días. Esto también es lo que se necesita para explicar los datos de observación, como Walter Winter, jefe del grupo teórico de física de astropartículas en DESY, y su colega teórica Cecilia Lunardini de la Universidad Estatal de Arizona, han mostrado en un modelo teórico publicado en el mismo número de Astronomía de la naturaleza. "El neutrino emergió relativamente tarde, medio año después de que comenzara la fiesta de las estrellas. Nuestro modelo explica este momento de forma natural, "dice Winter.

    El acelerador cósmico arroja diferentes tipos de partículas, pero aparte de neutrinos y fotones, estas partículas están cargadas eléctricamente y, por lo tanto, son desviadas por campos magnéticos intergalácticos en su viaje. Solo los neutrinos eléctricamente neutros pueden viajar en línea recta como la luz desde la fuente hacia la Tierra y, por lo tanto, convertirse en valiosos mensajeros de tales sistemas.

    "Las observaciones combinadas demuestran el poder de la astronomía de mensajeros múltiples, "dice el coautor Marek Kowalski, jefe de astronomía de neutrinos en DESY y profesor en la Universidad Humboldt de Berlín. "Sin la detección del evento de interrupción de las mareas, el neutrino sería solo uno de muchos. Y sin el neutrino la observación del evento de interrupción de las mareas sería solo una de muchas. Solo a través de la combinación podríamos encontrar el acelerador y aprender algo nuevo sobre los procesos internos ". La asociación del neutrino de alta energía y el evento de interrupción de las mareas se encontró mediante un sofisticado paquete de software llamado AMPEL, desarrollado específicamente en DESY para buscar correlaciones entre los neutrinos IceCube y los objetos astrofísicos detectados por Zwicky Transient Facility.

    ¿La punta del iceberg?

    La instalación transitoria de Zwicky fue diseñada para capturar cientos de miles de estrellas y galaxias en una sola toma y puede inspeccionar el cielo nocturno particularmente rápido. En su corazón se encuentra el telescopio Samuel-Oschin de 1,3 m de diámetro. Gracias a su gran campo de visión, ZTF puede escanear todo el cielo durante tres noches, encontrando objetos más variables y transitorios que cualquier otro estudio óptico anterior. "Desde nuestro inicio en 2018, hemos detectado más de 30 eventos de interrupción de las mareas hasta ahora, más que duplicar el número conocido de tales objetos, "dice Sjoert van Velzen del Observatorio de Leiden, coautor del estudio. "Cuando nos dimos cuenta de que el segundo TDE más brillante observado por nosotros era la fuente de un neutrino de alta energía registrado por IceCube, estábamos emocionados ".

    "Es posible que aquí solo veamos la punta del iceberg. En el futuro, esperamos encontrar muchas más asociaciones entre los neutrinos de alta energía y sus fuentes, "dice Francis Halzen, Profesor de la Universidad de Wisconsin-Madison e investigador principal de IceCube, que no participó directamente en el estudio. "Se está construyendo una nueva generación de telescopios que proporcionará una mayor sensibilidad a los TDE y otras posibles fuentes de neutrinos. Aún más esencial es la extensión planificada del detector de neutrinos IceCube, eso aumentaría el número de detecciones de neutrinos cósmicos al menos diez veces ". Este TDE marca solo la segunda vez, un neutrino cósmico de alta energía podría rastrearse hasta su origen. En 2018, una campaña de mensajería múltiple presentó una galaxia activa, el blazar TXS 0506 + 056, como la primera fuente identificada de un neutrino de alta energía, registrado por IceCube en 2017.


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