¿De dónde provienen los neutrinos de IceCube?

Astrobite Original: Where are the IceCube neutrinos coming from?
Título: Star-forming galaxies as the origin of IceCube neutrinos: Reconciliation with Fermi-LAT gamma rays
Autores: Sovan Chakraborty & Ignacio Izguirre
Institución del primer autor: Indian Institute of Technology Guwahati/Max Planck Institute for Physics

La Colaboración IceCube (“Cubo de Hielo”, la cual trabaja con datos del observatorio de neutrinos del Polo Sur) causó bastante ruido en 2013 cuando anuncio que habían observado la primera evidencia de neutrinos astrofísicos de alta energía, lo que significa que los neutrinos que no tienen su origen en nuestro sistema solar. Desde ese día, los teóricos (esos astrónomos y físicos que se dedican exclusivamente a desarrollar teorías que expliquen o predigan observaciones) han especulado acerca de que tipo de fuentes podrían haber emitido dichos neutrinos. Por ejemplo, tenemos las supernovas, las cuales ocurren cuando las estrellas explotan, o las hipernovas, que no son más que supernovas más energéticas. Sin embargo, existe un problema con esa posibilidad: estos procesos producen neutrinos, pero también producen rayos gamma. Estas partículas (básicamente fotones de muy alta energía) han sido investigadas con observatorios de rayos gamma, como por ejemplo el Fermi-LAT, y se ha llegado a la conclusión que el límite en el flujo difuso de rayos gamma es incompatible con el que es esperado de modelos hadrónicos. Los objetos astrofísicos pueden producir rayos gamas por dos diferentes mecanismos: leptónicos o hadrónicos, de los cuales únicamente los modelos hadrónicos pueden también crear neutrinos. Por tanto los autores del presente trabajo consideran únicamente éste último mecanismo.

Fijandonos en los remanentes de supernovas e hipernovas de galaxias que presentan formación estelar, los autores notaron que los modelos hadrónicos parecen causar una sobrepoblación de rayos gamas que entra en conflicto con lo que ha sido calculado de las observaciones de Fermi-LAT. Como sea, esto podría ser debido a algunos efectos que además podrían explicar la incompatibilidad entre el flujo de rayos gama y el flujo de neutrinos.

Los rayos gama de fuentes extragalácticas interactúan con el fondo cósmico de microondas y el fondo extragaláctico de luz (EBL por sus siglas en inglés “Extragalactic background light”) en su camino hacia nosotros. El EBL es la radiación sobrante que proviene de procesos de formación estelar y tiene la particularidad de que esta muy pobremente entendida. Las incertezas en los modelos del EBL son generalmente bastante grandes. Los autores muestran que la absorción de rayos gamma cuando las partículas viajan entre galaxias puede ser significante.

Figura 1: El espectro de neutrinos (línea negra) y rayos gamma (línea azul) modelado antes de tomar en cuenta la absorción de rayos gamma. Los puntos negros representan las observaciones de IceCube mientras que los puntos azules las observaciones de Fermi-LAT. La líneas punteadas muestran los componentes al flujo total de rayos gamma: (rosa) el componente difuso de la cascada electromagnética y (naranja) flujo de rayos gamma difusos que no sufren absorción y que esta correlacionado con el flujo de neutrinos. La línea verde es el limite mostrado por Fermi-LAT que correlaciona el flujo de rayos gamma con el de neutrinos.

Aun más importante, ellos han estudiado los efectos de la absorción de rayos gama en galaxias starburst (“brote de formación estelar”, un tipo de galaxias donde la tasa de formación estelar es excepcionalmente alta). Debido al gran número de rayos gamma presentes en las galaxias starbust, es extremadamente probable que estos interactúen con el medio interestelar y formen pares electrón-positrón. Estos pares, a su vez, pueden interactuar entre sí para formar rayos gamma de baja energía (típicamente a través de un proceso llamado radiación Bremsstrahlung). Esta cadena de procesos representa un ciclo que puede continuar otra vez, el cual es conocido como “cascada electromagnética”. El efecto de la cascada es inhibir la formación de fotones a bajas energías, debido a que los electrones y protones pierden rápidamente energía en presencia de fuertes campos magnéticos a través de la radiación de sincrotrón. La radiación de sincrotrón ocurre cuando una partícula cargada se mueve en un campo magnético. Este puede afectar al 90% de los rayos gamma y cambiar dramáticamente el flujo difuso de rayos gamma en el rango de GeV-TeV (de giga electrón Volt a tera electrón Volt). El efecto de este campo magnéticos ha sido despreciado hasta este momento.

Figura 2: Igual que la Figura 1, pero con el efecto de la absorción tomado en cuenta. Note que el flujo de rayos gamma (línea azul) en este caso es ligeramente inferior hacia bajas energías.

Los autores muestran que este efecto cambia los resultados y que la tensión entre rayos gamma y neutrinos puede desaparecer. Es posible que las galaxias con formación estelar produzcan un espectro de neutrinos que el IceCube haya observado, mientras los limites de rayos gamma permanecen en lo esperado por las observaciones de Fermi-LAT.