El origen de los neutrinos de IceCube: el misterio continua

• Título:   “Evidence against star-forming galaxies as the dominant source of IceCube neutrinos“
• Autores: Bechtol K. et al.
• Institución del primer autor: Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center and University of Wisconsin-Madison, Madison, WI
• Astrobite original: The Origin of the IceCube Neutrinos: An Ongoing Mystery

El observatorio de neutrinos IceCube es un telescopio gigante profundamente enterrado en el hielo de la Antártida, y está diseñado para ser una “trampa” para los huidizos neutrinos astrofísicos. Estos neutrinos proceden de eventos violentos y a menudo explosivos que tienen lugar en fuentes de emisión astrofísica, y llegan a la tierra sin haber interactuado con ninguna otra partícula. Muchos de estos neutrinos atraviesan nuestro planeta sin dejar rastro. sin embargo, las cadenas de detectores de IceCube, insertadas a un kilómetro de profundidad en el hielo del Polo Sur (ver Fig. 1), pueden detectar la radiación producida por las interacciones que raramente experimentan estos neutrinos. De hecho, la colaboración IceCube anunció en 2013 la primera detección de neutrinos astrofísicos (¡un evento que fue cubierto por astrobites!). Sin embargo, el origen de estas partículas sigue siendo un misterio.

Fig. 1. El telescopio IceCube consiste en miles de detectores conectados en cadena y enterrados en un kilómetro cúbico de hielo en la Antártida. Imagen obtenida de la web oficial del experimento.

Los candidatos favoritos para explicar este misterio fueron inicialmente los nucleos galácticos activos y las explosiones de rayos gamma, pero una a una, estas posibles fuentes han sido descartadas experimentalmente. El artículo de hoy elimina otro de los contendientes más populares, intensificando el misterio que rodea a estas partículas.

En las galaxias con formación estelar (SFGs por sus siglas en inglés) ocurren colisiones constantes entre rayos cósmicos energéticos y el gas interestelar. Estas colisiones producen piones, unas partículas inestables que existen solo durante pequeñas fracciones de segundo antes de desintegrarse generando partículas más longevas, como los neutrinos. Junto con estos neutrinos, estas interacciones también generan rayos gamma de alta energía. Por lo tanto, a partir de las observaciones de rayos gamma, es posible inferir la cantidad de neutrinos emitidos por las SFGs y que deberían ser detectados por IceCube.

Los rayos gamma observados por el telescopio Fermi LAT pueden dividirse en dos categorías: aquellos cuyo origen puede trazarse a partir de una fuente concreta, y los que forman un fondo difuso sin un origen localizado que pueda observarse. Muchos de estos últimos provienen de fuentes puntuales demasiado pequeñas para ser resueltas de forma individual. Para que las SFGs pudiesen ser la fuente de los neutrinos detectados por IceCube, también deberían producir una fracción significativa de esta componente difusa de rayos gamma. Sin embargo, estudios recientes del fondo de rayos gamma sugieren que otros objetos, los blazares, son responsables de al menos el 72% de este fondo, lo cual deja muy poco espacio a las SFGs.

En el artículo de hoy, los autores predicen el número máximo de neutrinos que podrían ser producidos por SFGs dado este límite sobre la producción de rayos gamma. La Figura 2 muestra que, incluso con la emisión máxima en rayos gamma permitida por las observaciones de Fermi, las SFGs son incapaces de producir suficientes neutrinos para explicar las observaciones de IceCube.

Fig. 2: Límites sobre los rayos gamma emitidos por SFGs obtenidos por los autores del artículo de hoy (linea roja continua) y flujo de neutrinos asociado a esta emisión (linea negra continua). El flujo observado por IceCube, dado por los puntos negros, es muy superior al máximo permitido, y por lo tanto no puede explicarse por medio de las SFGs. Fuente: Figura 4 del artículo original.

De este modo, otra de las fuentes más prometedoras de neutrinos parece estar eliminada, limitándose las opciones en favor de candidatos más exóticos e inesperados. Otros trabajos recientes en este mismo campo sugieren que es posible que las galaxias emisoras en radio pudiesen explicar simultaneamente las mediciones de IceCube y Fermi LAT. Al mismo tiempo, otros grupos sostienen que descartar las SFGs es una conclusión precipitada, ya que otros modelos más sofisticados de las interacciones que tienen lugar dentro de estas galaxias podrían permitir que algunos de los rayos gamma emitidos por las SFGs fuesen reabsorbidos rápidamente, y por lo tanto no serían detectados por Fermi LAT. Con más trabajo y mejores observaciones algún día podremos encajar las distintas piezas del rompecabezas. En cualquier caso, haber descartado los candidatos más esperados es excitante en sí mismo. ¡Las observaciones nuevas siempre revelan respuestas inesperadas!