¿Podemos ver neutrinos desde la región de formación estelar, Cygnus?

Título: The Gamma-Ray Puzzle in Cygnus X: Implications for High-Energy Neutrinos
Autores: Yoast-Hull, Gallagher, Halzen, Kheirandish, and Zweibel
Institución del primer autor: University of Wisconsin-Madison/Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center
Estado: Submitido a Physical Review D.
Astrobitos original:  Kelly Malone

¿Qué es la región Cygnus?

Cygnus X es una región particularmente interesante del cielo. Ubicada en el plano galáctico, y nombrada así por estar en la constelación Cygnus (o de El Cisne, en español), es la región de formación estelar más grande en toda la Vía Láctea. Tiene nubes de gas molecular masivas, las que son importantes para la formación estelar, y también tiene muchas estrellas jóvenes. Rayos gamma (la forma de radiación electromágnetica de mayor energía) también han sido detectados en esta región por varios experimentos, incluyendo Fermi-LAT y Milagro. Las fuentes puntuales y las regiones extendidas de emisión hacen que esta área sea muy confusa en términos de rayos gamma. Una de las regiones extendidas más interesantes es conocida como el “Capullo de Cygnus”.

Figura 1: La región Cygnus-X. Crédito: NASA/JPL-Caltech/Harvard-Smithsonian CfA

En algunos escenarios, se espera que las interacciones que producen los rayos gamma también produzcan neutrinos, pequeñas partículas que son útiles como mensajeros astrofísicos. Detectar neutrinos desde Cygnus X es interesante, ya que proveería la evidencia de que hay un PeVatron en el disco galáctico. Un PeVatron es una fuente que acelera los protones hasta 1 PeV y es uno de los componentes esenciales para determinar exactamente cómo funciona la aceleración de rayos cósmicos, uno de los mayores misterios sin resolver en astrofísica de partículas. Para tener una idea de la escala energética, ésta es órdenes de magnitud mayor que la aceleración que puede producir el Gran Colisionador de Hadrones en la Tierra. El experimento HESS produjo un gran revuelo a principios de este año cuando anunció que habían detectado evidencia de un PeVatron en el centro galáctico (artículo de astrobites al respecto), pero hasta la fecha, este es el único PeVatron descubierto.
* Probablemente te preguntes por qué nos enfocamos en rayos gamma y neutrinos en vez de en rayos cósmicos. Una razón es porque son mucho más fáciles de interpretar, debido a que ambos son neutrales y no se curvan en campos magnéticos en su viaje a la Tierra.

Modelo

Los autores del artículo buscaron determinar si el espectro de neutrinos de la región de Cygnus tiene un flujo lo suficientemente grande como para ser detectado por IceCube, un experimento de detección de neutrinos ubicado en la Antártica. Este proceso constó de varios pasos: primero, produjeron un modelo para el medio interestelar en esa región derivando columnas de densidad de gases e incorporando mapas de polvo en un cálculo del campo de radiación interestelar. Después, modelaron la emisión de los rayos gamma en la región, comparando con observaciones para asegurarse que coincidieran, y luego calcularon el flujo del neutrino.

Resultados e Implicaciones

Desafortunadamente, resulta que el flujo de neutrinos asociado con la emisión difusa en Cygnus X es mucho menor que la sensibilidad de IceCube, eliminando la posibilidad de detectar neutrinos en esta región.

Sin embargo, mirando a la región del Capullo mencionada arriba, tenemos otra posibilidad. El espectro calculado a 1 PeV está justo sobre el límite de descubrimiento de IceCube para fuentes puntuales. Como el Capullo es extendido, el umbral de detección es un poco menor que en la realidad, por lo que hay aún mayores oportunidades de que IceCube detecte algo.

Figura 2: Espectros de neutrinos de varias regiones. La banda amarilla es el espectro para la emisión difusa en Cygnus X, mientras que las dos líneas punteadas en verde corresponden a la emisión del Capullo y la nube molecular CygX-Norte. Las líneas en la parte superior marcan el rango de detección de IceCube. Notar que sólo la región del Capullo tiene una posibilidad de ser detectada.
p es el índice espectral de los rayos cósmicos correspondientes. Crédito: Figura 5 del artículo.

Los autores también estudiaron una pequeña región del Capullo de Cygnus que coincide con una nube molecular. Eligieron esta región porque probablemente esté asociada con una emisión de hadrones (lo que crearía neutrinos) de un acelerador de rayos cósmicos tal como un remanente de supernova o una nebulosa de viento de púlsar. El flujo de neutrinos de esta nube molecular es, desafortunadamente, muy bajo para ser detectado por IceCube.

Con nuestro conocimiento actual del área, hay una posibilidad de que neutrinos puedan ser detectados en la región del Capullo (ver Figura 2). Si esto sucede, mejorará nuestro entendimiento sobre cómo los aceleradores de rayos cósmicos están distribuidos en el cielo, y nos proveerá de la primera evidencia de un PeVatron en el disco galáctico.