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Neutrinos y agujeros negros supermasivos: historias de mensajeros cósmicos

  • Título: A tidal disruption event coincident with a high-energy neutrino
  • Institución del primer autor: Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Zeuthen, Germany.
  • Autores/as: Robert Stein, Sjoert van Velzen, […] Yuhan Yao 
  • Estado del artículo: publicado en Nature, acceso abierto en arXiv.org.

Esta semana el Editorial de Nature Astronomy destaca el avance en astrofísica de altas energías gracias a las observaciones de neutrinos. Estas diminutas partículas escapan de los eventos más violentos del cosmos llevando consigo información muy valiosa de fenómenos como supernovas o agujeros negros super-masivos devorando estrellas.

A la caza de neutrinos

Los neutrinos son una presa muy preciada para la comunidad astrofísica, sin embargo, ¿cómo pueden nuestros detectores atrapar partículas que han superado las barreras más difíciles del universo? La respuesta es paciencia y mucho hielo. Así es, los observatorios de neutrinos actuales, como el IceCube o el Sudbury Neutrino Observatory , disponen de enormes volúmenes de hielo o agua, respectivamente, en el que esperan atrapar algún neutrino que lo atraviese. Los neutrinos son las partículas más tímidas del Modelo Estandár, la probabilidad que un neutrino decida interactuar es baja, por suerte, hay una cantidad inmensa de neutrinos navegando por el espacio. Con suficiente paciencia, alguno de estos acabará impactando en el detector, generando una señal que nos contará la historia de ese mensajero cosmico.

Figura 1. El observatorio de neutrinos IceCube en Antartica. Cuenta con detectores que se extienden hasta 2 km de hielo bajo la superfície. Crédito: Martin Wolf, IceCube/NSF.

Neutrino IC191001A, escapista profesional

En octubre de 2019, el observatorio de neutrinos IceCube detectó un neutrino de muy alta energía. Estos raros sucesos activan una alerta en la red de observatorios de todo el mundo para hacer un seguimiento. En concreto, este evento fue obseravado en la región óptica, ultra-violeta y de rayos-X del espectro electromagnético con telescopios terrestres y satélites, lo que se denomina cómo astronomía multimensajera por sus señales de distintos tipos. Combinando todos estos datos los investigadores asocian la señal de neutrino IC191001A con AT2019dsg: un evento de disrupción de marea o TDE por sus siglas en inglés.

Historias de mensajeros cósmicos

Los TDEs tienen lugar cuando una estrella se acerca demasiado a un agujero negro supermasivo. La atracción gravitatoria provocada por estos agujeros negros es muy intensa, incrementando a medida que los cuerpos se acercan. Y aún hay más, la diferencia de fuerzas entre las caras de la estrella, la más cercana notando una fuerza mayor que la más lejana, provoca que la estrella sea desmenuzada. En este proceso de carníceria cósmica, material de la superfícia estelar empieza a ser acelerado a velocidades relativistas (cercanas a la velocidad de la luz). Cuando esto ocurre se producen emisiones de alta energía y en algunos casos también neutrinos. Estos neutrinos son muy elusivos y consiguen escapar intactos de todo este alboroto. Si la orientación del sistema es la correcta, algunos de estos neutrinos llegaran eventualmente a la Tierra. La mayoría atravesaran nuestro rocoso planeta como si de mantequilla se tratase. Sin embargo, hay la posibilidad que algún neutrino despistado deje traza en los detectores terrestres.

Figura 2. Representación artística de un agujero negro super-masivo barriendo material de su orbita, incluyendo una estrella en un evento de disrupción de marea. Se aprecian chorros de material siendo expulsados. Crédito: Science Communication Lab, DESY.

El orígen de nuestro neutrino favorito: IC191001A

El evento de disrupción de marea AT2019dsg difiere de pasados TDEs en el hecho de que no se observa un jet ni emisiones en la región gamma del espectro, sin embargo, se observa una cantidad muy alta de radiación de rayos X. La pregunta que queda por resolver es cual es el mecanismo que genera los neutrinos observados. A falta de explicaciones, el equipo de Walter Winter (artículo en Nature, de libre acceso en arXiv) desarrolla un modelo para describir el proceso de emisión de neutrinos en AT2019ds. En esté modelo fenomenológico (desarrollado a partir de observaciones), parte de la intensa radiación de rayos X (ver Figura 3) es dispersada y reabsorbida por el disco de acreción: material orbitando al agujero negro que contribuye a su crecimiento. Según las propiedas de este disco, la radiación podrá escapar o quedará atrapada interactuando con el gas. En el caso de estudio, las propiedas de la emisión en rayos X encajan con las energías observadas en la detección de IceCube IC191001A.

Figura 3. Conjunto de emisiones del TDE AT2019dsg. Se muestra la luminosidad en función del instante de emisión, con el orígen en el día del descubrimiento (t=0). En rojo se representa la emisión de neutrinos modelada por Walter Winter y colaboradores. Crédito: Fig. 1 en Winter et al. 2021.

La combinación de observaciones en distintos rangos del espectro electromagnético y de neutrinos nos dan una imagen de uno de los sucesos más violentos del universo: una evento de disrupción por marea a causa de un agujero negro supermasivo. El evento estudiado es distinto a previas observaciones y ha requerido del esfuerzo conjunto de varios equipos de investigación para desarrollar una descripción coherente del fenómeno. Los datos sugieren que los neutrinos se emiten a causa de una fuerte radiación de rayos X interactuando con el disco de acreción. Futuras observaciones podrían desvelar la presencia de chorros (o jets) de materia cómo se ha visto anteriormente en otros casos, o todavía mejor, quizá haya más neutrinos generados en situaciones similares que se encuentren viajando hacia la Tierra en estos momentos, destinados a acabar su periplo cósmico en el subsuelo de la Antártica o a seguir hacia los confines del Universo.

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