Observaciones multi-mensajero de un blazar coincidentes con el neutrino de alta-energía IceCube-170922A

Título: Multi-messenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A
Autores: Equipos de IceCube, Fermi-LAT, MAGIC, AGILE, ASAS-SN, HAWC, H.E.S.S., INTEGRAL, Kanata, Kiso, Kapteyn, Liverpool Telescope, Subaru, Swift/NuSTAR, VERITAS, and VLA/17B-403
Estado: Publicado en Science
Astrobite Original: Multi-messenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A por Aaron Tohuvavohu

A lo largo de los años múltiples astrobites se han enfocado en artículos que exploran el misterioso origen de los neutrinos astrofísicos de IceCube. La primera detección de neutrinos astrofísicos en 2013 inspiraró un esfuerzo significativo hacia la identificación de sus progenitores. Para facilitar el rápido seguimiento multi-mensajero de los neutrinos más energéticos se estableció un programa de alerta en tiempo real, para notificar de forma inmediata a la comunidad y permitir a astrónomos alrededor del mundo la posibilidad de identificar las fuentes de estos neutrinos. Desde septiembre del 2017, nueve de estas alertas en tiempo real se han distribuido a la comunidad astrofísica general, pero ninguna resultó en la detección de una contraparte electromagnética.

No fue sino hasta el 22 de septiembre del 2017 cuando un neutrino astrofísico de alta energía (IC170922) pasó a través del frío hielo antártico. Sin embargo, a diferencia de sus varios millones de camaradas que se acercaron y atravesaron el hielo, saliendo del otro lado de la Tierra y continuando su viaje a través del espacio, este neutrino colisionó con un núcleo atómico en la profundidad del hielo cerca del Observatorio de neutrinos IceCube, localizado en el Polo Sur. Esta interacción produjo una partícula secundaria cargada, un muón, que se aceleró hacia el detector de IceCube. Conforme se movía a través del hielo instrumentado, el muón creaba un cono de radiación Cherenkov (luz azul), producida cuando una partícula se mueve a través de un medio a una velocidad mayor que la de la luz en ese medio – el análogo electromagnético de una onda de choque. La radiación Cherenkov desató la red de de detectores de tubos foto-multiplicadores de IceCube e inició un análisis de baja latencia en el Polo Sur, encontrando que la señal era característica de un muón neutrino. Dado que la luz Cherenkov traza el camino del muón, y el muón sigue una trayectoria similar a la de su neutrino padre, el origen del neutrino pudo ser localizado dentro de un área de aproximadamente un grado cuadrado en el cielo sureño, gracias a los diferentes momentos en que la señal fué identificada en los diferentes detectores.

Figure 1: Una imagen de los tubos foto-multiplicadores (PMTs, por sus siglas en Inglés) accionados por la radiación Cherenkov del muón inducido por el neutrino, y por lo tanto el camino que siguió a través del detector. Los colores indican el momento relativo cuando los fotones fueron detectados, rojo siendo el más temprano y azul el más tardío. Por lo que en esta imagen el muón pasó a través del detector de derecha a izquierda. Los tamaños relativos de los círculos indican el logaritmo del flujo relativo de la radiación que detectó cada PMT. (Crédito: Colaboración IceCube)

A los 43 segundos de la detección del neutrino en el hielo antártico, datos preliminares que contenían estimaciones iniciales de la energía y dirección del evento del neutrino fueron transmitidas desde el Polo Sur y distribuidas hacia observatorios astrofísicos alrededor del mundo y en órbita, a través de la Red de Observatorios Astrofísicos Multi Mensajeros (AMON, Astrophysical Multi-Messenger Observatory Network) y la Red de Coordenadas de Rayos gamma (GCN, Gamma-Ray Coordinates Network). Esto desencadenó una multitud de observaciones, la cronología de los reportes de las detecciones de los telescopios involucrados se muestra abajo en la Figura 2.

Imágen 2: Una gráfica mostrando la línea de tiempo de los reportes públicos indicando la detección del blazar TXS 0506+056 en asociación con IC170922. (Crédito: Colaboración IceCube)

La alerta de IceCube provocó una respuesta automática del Observatorio orbital Neil Gehrels Swift de NASA. Como rápida respuesta, el Telescopio de Rayos X (XRT, por sus siglas en inglés) a bordo de Swift identificó 9 fuentes de rayos X consistentes con la localización de IC170922 en un mosaico de la región de error identificada por IceCube, siendo una de éstas el blazar TXS 0506+056. Un blazar es un agujero negro súper masivo que está siendo energizado por material que cae hacia él mientras forma un disco de acreción, y que se encuentra embebido dentro del centro de una galaxia. Chorros relativistas de radiación y partículas de alta energía son expulsados desde los polos de estos sistemas, y para TXS 0506+056 uno de sus chorros se encuentra apuntando aproximadamente hacia nosotros. Durante los siguientes días, observatorios de rayos gamma terrestres y en el espacio encontraron que el blazar se encontraba en un estado de llamaradas activas. El Telescopio LAT (Large Area Telescope) dentro del Telescopio Espacial de Rayos gamma Fermi (Fermi-LAT) de la NASA, el cual todos los días realiza un censo de todo el cielo en rayos gamma, encontró en datos de archivos recientes que los días previos al 22 de septiembre TXS 0506+056 se había abrillantado por un factor de ~6 en los rayos gamma. Subsecuentes observaciones abarcando el espectro electromagnético desde los rayos gamma hasta el radio confirmaron que el blazar, el cual vive dentro de una galaxia elíptica gigante que se encuentra a 4 mil millones de años luz, se encontraba en un estado de intenso fulgor. De forma significativa, el Telescopio MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope) localizado en las Islas Canarias dió seguimiento, y el 4 de octubre detectó rayos gamma de mayor energía que provenían de la misma dirección que el neutrino y TXS 0506+056, la primera detección de este tipo.

Figure 3: (Izquierda) Imagen de rayos gamma (1-3000 GeV) de TXS 0506+056 producida por Fermi-LAT. (Derecha) Señal de significancia para rayos gamma de extremadamente alta energía (>90 GeV) detectados en TXS 0506+056 por MAGIC. Los círculos gris y rojo indican la extención de 50% y 90% de las regiones de localización de los neutrinos. (Crédito: Figura 2 del artículo original)

Todas estas observaciones apuntaron hacia la conclusión de que TXS 0506+056 es una de las fuentes más luminosas y energéticas en el Universo, y que por lo tanto tendría la energía necesaria para crear y acelerar neutrinos extremadamente energéticos. Más aún, a finales de septiembre y principios de octubre del 2017, TXS 0506+056 se encontraba atravesando un periodo de intensos destellos, produciendo rayos gamma de energía extremadamente alta que pueden provenir de forma directa de los mismos procesos físicos que produjeron estos neutrinos. Pero todavía no brinquen de alegría. Mientras que toda esta evidencia apunta de forma convincente a que el blazar TXS 0506+056 es la fuente de IC170922, todavía no indica si una detección multi-mensajero ha sido hecha. Alto, ¿qué? ¿por qué no?

Bueno, pues los blazares resplandecen, eso es lo que hacen. Así que la pregunta relevante no es sólamente “¿qué tan energético fué este blazar y cómo pudo haber producido IC170922?”, sino también “Cuál es la probabilidad de que se de un posicionamiento coincidente entre un neutrino extremadamente energético y un blazar fulgurante ocurra de forma aleatoria?”, es decir, ¿Cuál es la probabilidad de que la fulguración de TXS 0506+056 y el neutrino IC170922 no esten realmente relacionadas? El artículo clama que la probabilidad de la coincidencia del neutrino dentro de la llamarada del blazar es desfavorable a un nivel de 3 sigma en cualquier modelo en el que la producción de neutrinos se encuentre correlacionada linealmente con la actividad de rayos gamma. Es decir, uno esperaría ver tal coincidencia en tan sólo el 0.3% de las veces. Aunque ciertamente, un 3-sigma no precisamente alcanza el nivel que la mayoría de los astrofísicos considerarían necesario para aclamar a TXS 0506+056 como la contraparte electromagnética de IC170922. Se requieren de más observaciones de blazares fulgurantes coincidentes con neutrinos altamente energéticos para establecer una conexión inequívoca entre estos fenómenos, y para comprender los mecanismos de emisión y aceleración de neutrinos en este escenario.

Astrónomos alrededor del mundo estarán esperando para las próximas alertas de neutrinos altamente energéticos y mantendrán un ojo sobre los blazares resplandecientes, pero aún si se encuentra que los blazares producen algunos de los neutrinos altamente energéticos de IceCube ¡no será el final de la historia! Un trabajo previo comparando observaciones de Fermi-LAT de las poblaciones de blazares de rayos gamma con neutrinos altamente energéticos encontraron que estos blazares pueden producir solamente una porción de los neutrinos astrofísicos con flujos por encima de 10 TeV, lo que significa que debe haber otra fuente poderosa de aceleración de partículas cósmicas escondidos en algún lugar del Universo. Seguramente hay más observaciones multi-mensajero importantes en el horizonte, y ¡esperemos que el futuro continúe siendo brillante de neutrinos!

Descargo de responsabilidad: El autor del astrobite original es coautor en este y otros artículos relacionados a IC170922 y asociados al blazar resplandeciente TXS 0506+056.