Los neutrinos comienzan a revelar los misterios más profundos de la Vía Láctea

Un observatorio construido en las profundidades del hielo antártico ha detectado la primera evidencia de emisión de neutrinos de alta energía desde el interior de la Vía Láctea. Se trata de la primera vez que los científicos han conseguido pruebas sólidas de la emisión de estas partículas dentro de nuestra galaxia, ya que anteriormente se habían identificado emisiones procedentes de fuentes extragalácticas. El hallazgo podría abrir una nueva era para la observación astronómica, al comenzar a revelar características ocultas de nuestra galaxia y del cosmos.

El Observatorio IceCube ha producido por primera vez una imagen de la Vía Láctea utilizando neutrinos, partículas elementales que funcionan como diminutos “mensajeros fantasmales”. Un grupo internacional conformado por más de 350 científicos ha presentado con este “mapa o plano galáctico” la primera evidencia de emisión de neutrinos de alta energía proveniente de la propia Vía Láctea.

Se sabía que las interacciones entre los rayos cósmicos y el gas y el polvo galácticos inevitablemente producen tanto rayos gamma como neutrinos. Teniendo en cuenta la observación ya conocida de rayos gamma desde el plano galáctico, se esperaba que la Vía Láctea también fuera una fuente de neutrinos de alta energía.

Estos neutrinos, que disponen de energías de millones a miles de millones de veces más altas que las producidas por las reacciones de fusión que alimentan las estrellas, fueron detectados por el Observatorio IceCube, que opera en la Estación Amundsen-Scott del Polo Sur. Fue construido y es mantenido con fondos de la National Science Foundation (NSF) de Estados Unidos, junto al apoyo adicional de 14 países, que conforman la IceCube Collaboration.

Un enorme campo de desarrollo hacia el futuro

El detector, único en su tipo, abarca un kilómetro cúbico de hielo antártico profundo y está equipado con más de 5.000 sensores de luz. IceCube busca signos de neutrinos de alta energía que se originen en nuestra galaxia y más allá, hasta los confines más lejanos del Universo. Según una nota de prensa, este trabajo ha dado como resultado la primera detección de neutrinos originados en la Vía Láctea, junto al diseño de un mapa o plano de la misma empleando el potencial de estos bloques fundamentales de la naturaleza.

Los especialistas, que han resumido los principales avances en un nuevo estudio publicado en la revista Science, sostienen que las capacidades proporcionadas por el detector IceCube, junto con las nuevas herramientas de análisis de datos que emplean Inteligencia Artificial (IA), brindan una visión completamente nueva de nuestra galaxia, que solo se había insinuado previamente. A futuro, creen que si estas capacidades continúan refinándose será posible revelar importante características ocultas de la Vía Láctea, nunca antes vistas por la humanidad.

Carlos Argüelles-Delgado: "los neutrinos podrían revelar el misterio de la materia oscura, entre otros enigmas"

En una entrevista exclusiva con Tendencias21/Prensa Ibérica, Carlos Argüelles-Delgado, físico y profesor de la Universidad de Harvard, en Estados Unidos, e integrante del equipo de IceCube, desarrolla algunos aspectos claves que nos permiten entender la profundidad y el alcance de este descubrimiento. El científico peruano desarrolla actualmente nuevas técnicas para estudiar a los neutrinos y caracterizarlos, con el fin de comprender el origen del flujo de neutrinos astrofísicos de alta energía, entre otras cuestiones.

¿Por qué es tan importante esta primera imagen de la Vía Láctea utilizando neutrinos que ha logrado IceCube?

Por milenios hemos observado el Universo con nuestros ojos, viendo el Universo en luz visible, y luego con la llegada de telescopios y otras tecnologías en otras frecuencias. Ver el Universo en neutrinos nos abre la oportunidad de observar las regiones “oscuras” del cosmos, donde la luz no puede salir. La observación de la galaxia es un hito para la astrofísica, pues nos da una nueva visión de la Via Láctea. Observar la galaxia en neutrinos confirma que existen colisiones de alta energía ocurriendo en nuestra galaxia. Estas colisiones son producidas gracias a aceleradores de partículas, como por ejemplo, agujeros neutrinos.

Creo que esta primera visión de la galaxia en neutrinos es una nueva avenida para hacer astronomía, y puede llevarnos a descubrimientos muy sorprendentes. Por ejemplo, sabemos que la mayor cantidad de la materia en el universo no interactúa directamente con la luz, esta es denominada materia oscura por este efecto. La naturaleza de dicha materia oscura es uno de los misterios más grandes de la física contemperaría. En algunos modelos que intentan explicar qué es la materia oscura esta interactúa con los neutrinos. Es posible que las observaciones de la galaxia en neutrinos nos den nuevas maneras de entender la materia oscura, que hasta ahora ha evadido búsquedas basadas en luz.

¿Cuál es la trascendencia de profundizar en el conocimiento de los neutrinos para resolver los grandes enigmas del cosmos?

Una de las cosas más sorprendentes de los neutrinos es que manifiestan propiedades cuánticas en escalas macroscópicas. Los neutrinos vienen en tres tipos, o como decimos en física en tres “sabores”. Cuando un neutrino viaja en el espacio desde la fuente que lo produjo hasta el telescopio donde será detectado, lo hace como una superposición de los tres “sabores” de neutrinos. Es decir que un neutrino viajero es simultáneamente, con ciertas probabilidades, los tres tipos de neutrinos. Esta es una propiedad cuántica que es similar al ejemplo de Schrödinger, donde un gato en una caja esta en un estado superpuesto vivo-muerto. Al abrir la caja de Schrodinger, el gato colapsa a uno de dichos estados: esta vivo o muerto. Lo mismo sucede con un neutrino, el cual viaja en una superposición de todos los sabores de neutrinos, pero cuando es detectado se manifiesta como uno solo de ellos.

Observar neutrinos desde grandes distancias en el cosmos, como hemos evidenciado en diferentes estudios previos, permite observar efectos cuánticos en escalas nunca antes accesibles. Esto permite acceder a regímenes de energía nunca antes explorados, donde nuevas partículas o fuerzas pueden estar actuando.

-¿Qué detalles desconocidos de nuestra galaxia puede revelar este tipo de estudios gracias a los neutrinos?

Los neutrinos observados por IceCube mayormente provienen de la colisión de rayos cósmicos galácticos con gas en nuestra galaxia. El estudio de estos neutrinos nos permite medir la distribución del gas en nuestra galaxia. Es como hacer una tomografía galáctica con neutrinos. Otra cosa que es interesante, como mencionaba antes, es la posibilidad de observar señales de materia oscura con neutrinos galácticos. Hay observaciones del centro galáctico en rayos gamma que indican una posible contribución de materia oscura. Confirmar esta observación con neutrinos galácticos sería algo que podría revolucionar la física. Además, el estudio de los diferentes “sabores” de neutrinos en nuestra galaxia abre una ventana a escalas de física nunca antes accedidas.

Por último, creo que es importante resaltar que este descubrimiento es solo el principio y no el final de esta historia. IceCube ha observado el tenue flujo de neutrinos galácticos. Lo que sigue ahora es mejorar esa medición y empezar a ver los detalles de nuestra galaxia en neutrinos. Es ahí donde, tal vez, veamos sorpresas. Las mediciones de la galaxia por IceCube van a seguir mejorando conforme nuevas técnicas para inferir la dirección de los neutrinos detectados pueda mejorar. Estas mejoras vienen en gran parte por el uso de nuevas tecnologías, como el aprendizaje automático. Nuevos telescopios de neutrinos están actualmente en construcción, como Km3NeT en el Mediterráneo y Baikal-GVD en Rusia, estos empezarían a operar en los siguientes años y nos ayudarían a ver la galaxia con una mayor resolución. Finalmente, en la siguiente década, nuevos telescopios de neutrinos como TAMBO en los andes peruanos, P-ONE en Canada, e IceCube-Gen2 en la región antártica incrementaran significativamente nuestra capacidad de ver el Universo en neutrinos.

Referencia

Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane. The IceCube Collaboration: R. Abbasi et al. Science (2023). DOI:http://www.doi.org/10.1126/science.adc9818