Por mas de un siglo, Los científicos han estado observando partículas cargadas de muy alta energía llamadas rayos cósmicos que llegan desde fuera de la atmósfera de la Tierra. Los orígenes de estas partículas son muy difíciles de precisar porque las partículas en sí mismas no viajan en un camino directo hacia la Tierra. Incluso los rayos gamma un tipo de fotón de alta energía que ofrece un poco más de información, se absorben al atravesar largas distancias.

El Observatorio de Neutrinos IceCube, una serie de módulos ópticos enterrados en un kilómetro cúbico de hielo en el Polo Sur, busca fuentes de rayos cósmicos dentro y fuera de nuestra galaxia, que se extienden a galaxias a más de miles de millones de años luz de distancia, utilizando pistas de partículas elusivas llamadas neutrinos. Se espera que estos neutrinos sean producidos por colisiones de rayos cósmicos con gas o radiación cerca de las fuentes.

A diferencia de los rayos cósmicos, los neutrinos no son absorbidos ni desviados en su camino a la Tierra, convirtiéndolos en una herramienta práctica para localizar y comprender los aceleradores cósmicos. Si los científicos pueden encontrar una fuente de neutrinos astrofísicos de alta energía, esto sería una prueba irrefutable para una fuente de rayos cósmicos.

Después de 10 años de buscar el origen de los neutrinos astrofísicos, una nueva búsqueda en todo el cielo proporciona la sonda más sensible de emisión de neutrinos integrada en el tiempo de fuentes puntuales. The IceCube Collaboration presenta los resultados de este escaneo en un documento enviado recientemente a Cartas de revisión física .

Tessa Carver dirigió este análisis bajo la supervisión de Teresa Montaruli en el Departamento de Física Nucléaire et Corpusculaire de la Universidad de Ginebra en Suiza. "IceCube ya ha observado un flujo astrofísico de neutrinos, por lo que sabemos que existen y son detectables, simplemente no sabemos exactamente de dónde provienen, "dice Carver, ahora un postdoctorado en la Universidad de Cardiff. "Es sólo una cuestión de tiempo y precisión hasta que podamos identificar las fuentes detrás de este flujo de neutrinos".

El principal desafío en la búsqueda de fuentes de neutrinos astrofísicos con IceCube es el trasfondo abrumador de eventos inducidos por interacciones de rayos cósmicos en nuestra atmósfera. La señal de las fuentes de neutrinos débiles debe extraerse mediante sofisticadas técnicas de análisis estadístico.

Usando estos métodos, Carver y sus colaboradores "escanearon" todo el cielo para buscar fuentes de neutrinos puntuales en ubicaciones arbitrarias. Este método de escaneo es capaz de identificar fuentes de neutrinos muy brillantes que podrían ser invisibles en los rayos gamma, que también se producen en colisiones de rayos cósmicos.

Para ser sensible a las fuentes de atenuación, También analizaron 110 candidatos a fuentes galácticas y extragalácticas, que se han observado a través de rayos gamma. Luego combinaron los resultados obtenidos para las fuentes individuales en esta lista en un "análisis de población, "que busca una tasa más alta de lo esperado de resultados significativos de la búsqueda de la lista de fuentes individuales. Esto permite a los investigadores encontrar una emisión significativa de neutrinos, incluso si las fuentes de la lista son demasiado débiles para ser observadas individualmente.

Los investigadores también emplearon una "búsqueda de apilamiento" para tres catálogos de fuentes de rayos gamma dentro de nuestra galaxia. Esta búsqueda agrupa todas las emisiones de grupos de objetos conocidos del mismo tipo bajo el supuesto de que tienen propiedades de emisión conocidas. Si bien puede reducir significativamente la emisión por fuente requerida para observar un gran exceso de señal sobre el fondo, esta búsqueda es limitada porque requiere un mayor conocimiento de las fuentes del catálogo.

Si bien los diferentes análisis no descubrieron fuentes de neutrinos estables, Sin embargo, los resultados son emocionantes:algunos de los objetos en el catálogo de fuentes conocidas mostraron un flujo de neutrinos más alto de lo esperado, con excesos en el nivel 3σ. En particular, el escaneo de todo el cielo reveló que la ubicación "más caliente" en el cielo está a solo 0.35 grados de la galaxia estrella NGC 1068, que tiene un exceso de 2.9σ sobre el fondo. NGC 1068 es uno de los agujeros negros más cercanos a nosotros; está incrustado en una región de formación de estrellas con mucha materia para que los neutrinos interactúen mientras se atenúan los rayos gamma de alta energía, como se muestra en las medidas de Fermi y MAGIC. Este es el exceso más significativo visto además de TXS 0506 + 056, la fuente de 2017 que IceCube encontró coincidiendo con un destello de rayos gamma. Todavía, estas posibles fuentes de neutrinos requieren más datos con un detector más sensible, como IceCube-Gen2, para ser confirmado.

Los investigadores también encontraron que el catálogo de fuentes del hemisferio norte en su conjunto difería de las expectativas de fondo con una significancia de 3.3σ. Carver dice que estos resultados demuestran una fuerte motivación para seguir analizando los objetos del catálogo. Análisis dependientes del tiempo, que buscan llamaradas de emisión puntiaguda, y la posibilidad de correlacionar la emisión de neutrinos con observaciones de ondas electromagnéticas o gravitacionales para estas y otras fuentes puede proporcionar evidencia adicional de la emisión de neutrinos y conocimientos sobre el origen de los neutrinos. Con la continua toma de datos, reconstrucción de dirección más refinada, y la próxima actualización de IceCube, Hay más mejoras en la sensibilidad en el horizonte.

"Tenemos la suerte de tener la oportunidad única de ser las primeras personas en mapear el universo con neutrinos, que proporciona una perspectiva completamente nueva, "dice Carver". Además, este progreso en la astronomía de neutrinos va acompañado de grandes avances en la física de ondas gravitacionales y la física de rayos cósmicos ".

Montaruli agrega, "Si bien estamos en los albores de una nueva era en astronomía que observa el universo no solo con luz, esta es la primera vez que comenzamos a ver excesos potencialmente significativos de eventos de neutrinos candidatos alrededor de objetos extragalácticos interesantes en búsquedas independientes del tiempo ".