La fuente del neutrino IceCube-170922A de 290 TeV parece ser el blázar TXS 0506+056

La observación multimensajero es el sueño de todo físico de neutrinos. Se logró con la supernova SN 1987A (y con nuestro Sol). El detector de neutrinos IceCube observó 13 ± 5 neutrinos entre septiembre de 2014 y marzo de 2015 cuya fuente parecía ser el blázar TXS 0506+056. Se confirma la sospecha gracias a la detección del neutrino IceCube-170922A, cuya energía es de ~290 TeV, y su coincidencia con varios rayos gamma observados por Fermi-LAT y MAGIC, entre otros. La ventana de tiempo y la fuente en el cielo de este neutrino coincide a más de cinco sigmas con dichos rayos gamma. Así, todo parece indicar que dicho blázar es la fuente de estos neutrinos; más aún, todo apunta al origen extragaláctico de los neutrinos ultraenergéticos observados por IceCube.

Los telescopios Cherenkov de 17 metros para rayos gamma MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) se encuentran en el Observatorio del Roque de los Muchachos en La Palma (Islas Canarias, España). Observaron la rayos gamma del blázar con energía superior a 0.5 TeV; te recuerdo que un blázar es un tipo de cuásar cuyo chorro relativista está orientado hacia la línea de visión desde la Tierra y que un cuásar es un núcleo galáctico activo, formado por un agujero negro supermasivo con un gran disco de acreción de materia. El blázar TXS 0506+056 tiene un desplazamiento al rojo de z = 0.3365 ± 0.0010, como determinó el grupo de Simona Paiano (Observatorio Astronómico de Padua, Italia) tras 15 horas de observación en el Grantecan (el Gran Telescopio Canarias de La Palma, cuyo espejo tiene 10.4 metros). La clave de la observación intensiva de este blázar ha sido el sistema de alerta de IceCube, que se activó a los 43 segundos tras la detección.

Ahora el sueño de los físicos de neutrinos es la observación multimensajero de neutrinos, rayos gamma y ondas gravitacionales. Quizás el próximo año se logre dicho sueño. Los artículos son IceCube Collaboration, “Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert,” Science 361: 147-151 (13 Jul 2018), doi: 10.1126/science.aat2890 [link] [preprint], y The IceCube Collaboration, Fermi-LAT, MAGIC, AGILE, ASAS-SN, HAWC, H.E.S.S., INTEGRAL, Kanata, Kiso, Kapteyn, Liverpool Telescope, Subaru, Swift/NuSTAR, VERITAS, VLA/17B-403 teams, “Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A,” Science (12 Jul 2018), doi: 10.1126/science.aat1378 [link] [preprint]. La distancia se calculó en Simona Paiano, Renato Falomo, …, Riccardo Scarpa, “The redshift of the BL Lac object TXS 0506+056,” ApJL 854: L32 (23 Feb 2018), doi: 10.3847/2041-8213/aaad5e, arXiv:1802.01939 [astro-ph.GA].

También recomiendo The VERITAS Collaboration, “VERITAS Observations of the BL Lac Object TXS 0506+056,” The Astrophysical Journal Letters 861: L20 (12 Jul 2018), doi: 10.3847/2041-8213/aad053, arXiv:1807.04607 [astro-ph.HE]; P. Padovani, P. Giommi, …, M. Huber, “Dissecting the region around IceCube-170922A: the blazar TXS 0506+056 as the first cosmic neutrino source,” MNRAS sty1852 (12 Jul 2018), doi: 10.1093/mnras/sty1852, arXiv:1807.04461 [astro-ph.HE]; The ANTARES Collaboration, “Search for neutrinos from TXS 0506+056 with the ANTARES telescope,” arXiv:1807.04309 [astro-ph.HE]; Kohta Murase, Foteini Oikonomou, Maria Petropoulou, “Blazar Flares as an Origin of High-Energy Cosmic Neutrinos?” arXiv:1807.04748 [astro-ph.HE]; A. Keivani, K. Murase, …, C. F. Turley, “A Multimessenger Picture of the Flaring Blazar TXS 0506+056: implications for High-Energy Neutrino Emission and Cosmic Ray Acceleration,” arXiv:1807.04537 [astro-ph.HE]; Max Ludwig Ahnen, Stefano Ansoldi, …, Matteo Cerruti, “The blazar TXS 0506+056 associated with a high-energy neutrino: insights into extragalactic jets and cosmic ray acceleration,” ApJL (2018), doi: 10.3847/2041-8213/aad083, arXiv:1807.04300 [astro-ph.HE]; C. Righi, F. Tavecchio, L. Pacciani, “A multiwavelength view of BL Lacs neutrino candidates,” arXiv:1807.04299 [astro-ph.HE]; Shan Gao, Anatoli Fedynitch, …, Martin Pohl, “Interpretation of the coincident observation of a high energy neutrino and a bright flare,” arXiv:1807.04275 [astro-ph.HE]; entre otros.

Más información en Daniel Clery, “Ghostly particle caught in polar ice ushers in new way to look at the universe,” Science, 12 Jul 2018, doi: 10.1126/science.aau7505; Davide Castelvecchi, “Single subatomic particle illuminates mysterious origins of cosmic rays,” News, Nature, 12 Jul 2018, doi: 10.1038/d41586-018-05703-y; Ethan Siegel, “What is This?A Cosmic First: Ultra-High Energy Neutrinos Found, From Blazing Galaxies Across The Universe,” Starts With A Bang, 12 Jul 2018.

[PS 04 Sep 2018] Me ha gustado esta imagen, acompañada de la cita de Blade Runner (1982) en la charla de Kael Hanson (Univ. Wisconsin – Madison), “Multimessenger Astronomy with Neutrinos at the South Pole IceCube and Future Observatories in the Ice,” COSMO 2018, Daejeon, South Korea [indico slides & PDF]. [/PS]

El observatorio de neutrinos IceCube es un detector de un kilómetro cúbico enterrado en la capa de hielo bajo la Estación Polar Antártica Amundsen–Scott. Está formado por 86 cuerdas verticales separadas unos 125 metros y que descienden hasta una profundidad de 2450 metros en el hilo; en el último kilométro de cada cuerda (entre 1450 y 2450 m) se han colocado 60 fotodetectores de radiación Cherenkov que permiten observar partículas cargadas ultrarrelativistas que atraviesen el hielo. Un neutrino muónico que interaccione con el hielo produce un muón que se puede observar por los 5160 fotodetectores. Para un neutrino con una energía de ~30 TeV (~1 PeV) se puede localizar su fuente en el cielo con un error de 0.5° (0.3°), es decir, el tamaño aparente de la Luna en el cielo.

El 22 de septiembre de 2017 se detectó un neutrino gracias a un múon que depositó una energía de 23.7 ± 2.8 TeV en el detector (se estima que la energía del neutrino está entre 183 TeV y 290 TeV al 90% CL). Dicho neutrino dio lugar a una alerta (se producen unas cuatro alertas al año). Dicha alerta coincidió con otras alertas de telescopios de rayos gamma, por ello generó gran atención mediática; en mi blog me hice eco en “IceCube 170922A: la astronomía multimensajero con neutrinos de alta energía”, LCMF 31 Oct 2017). El telescopio de neutrinos del Mediterráneo ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch) no observó ningún neutrino porque tiene una sensibilidad diez veces menor que IceCube para neutrinos con la declinación de la fuente.

Lo más relevante del neutrino IC-170922A es que había indicios de que los neutrinos ultraenergéicos observados por IceCube tenían origen extragaláctico, pero se estimaba que rondaban unas 3.5 sigmas. Se necesitaba una observación multimensajero (que además de neutrinos se observaran rayos gamma de la fuente) para lograr una evidencia por encima de 5 sigmas. Ahora se logrado este hito en la física de los neutrinos. Ya pocos dudarán de que los neutrinos observados por IceCube entre 32 TeV y 3.6 PeV tienen origen extragaláctico.

La primera observación electromagnética de la emisión del blázar coincidente con el neutrino de IceCube fue obtenida por el instrumento XRT (X-Ray Telescope) del telescopio espacial Swift (NASA) el 26 de septiembre de 2017. En rayos gamma la primera observación fue del instrumento LAT (Large Area Telescope) del telescopio espacial Fermi (NASA) el 28 de septiembre, la segunda del telescopio espacial italiano AGILE (Astrorivelatore Gamma ad Imagini Leggero) el 29 de septiembre y la tercera de MAGIC el 4 de octubre. Muchos otros instrumentos (MAXI, NuSTAR, INTEGRAL, etc.) también observaron el bázar y realizaron una monitorización de la evolución de su espectro. Como es de esperar algunos instrumentos no detectaron nada en la posición del blázar TXS 0506+056, como HAWC (High Altitude Water Cherenkov) que habría observado rayos gamma con una energía superior a 1 TeV.

Además de las observaciones en rayos gamma y rayos X también se han realizado observaciones en el óptico. El primero fue ASAS-SN (All-Sky Automated Survey for Supernovae) el 28 de septiembre, seguido por el Telescopio Liverpool el 29 de septiembre, SATL (Southern African Large Telescope) el 7 de octubre, el telescopio Kanata el 12 de octubre, y el instrumento FOCAS (Faint Object Camera and Spectrograph) del telescopio Subaru el 25 de octubre, por destacar solo algunos. Realmente el estudio de este blázar ha sido muy intenso.

Para la asociación del neutrino y las señales electromagnéticas con el blázar se ha realizado un análisis estadístico bayesiano. Si solo se hubiera observado el neutrino la coincidencia con TXS 0506+056 sería de solo unas 3 sigmas; solo gracias a todas las señales recabadas en el espectro electromagnético se puede lograr una asociación con más de 5 sigmas. Por tanto en la interpretación de esta asociación es clave nuestro conocimiento sobre la física de los blázares, que nos indica que emiten rayos cósmicos, neutrinos y rayos gamma con un espectro similar al observado.

En resumen, suponíamos que la fuente de los neutrinos ultraenergéticos observados por IceCube era extragaláctica y que muchos tenían su origen en blázares; ya tenemos una evidencia de que dicha hipótesis es correcta. Todos esperamos que haya futuras observaciones multimensajero asociadas a otros blázares. También que pronto se alcance el santo grial de este campo, la observación de un fenómeno astrofísico con neutrinos, ondas electromagnéticas y ondas gravitacionales. Crucemos los dedos para que se logre el próximo año.

2 comentarios

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fisivi fisivi

Es apasionante pensar que de una fuente tan lejana nos pueda llegar energía tan concentrada.

La cantidad de masa/energía de los chorros relativistas debe de ser enorme. ¿Podría ser que la gravitación de esa masa, tan concentrada en una dirección, actuase como nucleo de condensación de materia intergaláctica, y que generase así cuerpos astronómicos nuevos, quizá galáxias?

planck planck

Si un siglo atrás nos dijesen que la ciencia del siglo que viene iba a ser capaz de detectar el desplazamiento espaciotemporal producido por la fusión de dos agujeros negros situados a miles de años luz de distancia (equivalente a detectar un desplazamiento del tamaño de un átomo en la distancia de la Tierra al Sol) o detectar el choque de una partícula “fantasma” (un neutrino) procedente de otra galaxia contra el núcleo de un átomo de una molécula de hielo aqui en la Tierra probablemente pensariamos que que nuestro interlocutor se ha vuelto completamente loco. ¿Que será capaz de lograr la ciencia en las próximas décadas? Hay tantas cosas que aún no sabemos (afortunadamente). Antes del siglo que viene deberemos conocer la naturaleza de la materia oscura, de la energía oscura, el modelo de inflación correcto y la composición exacta de la matería-energía de nuestro Universo. También tendremos (con un poco de “suerte”) una teoría completa de la gravedad cuántica que nos permitirá conocer los detalles de la naturaleza del espacio-tiempo, conocer cuantas dimensiones tiene y como exactamente se inició el espacio-tiempo de nuestro Universo. Conoceremos entonces donde y como “esconde” un agujero negro la inmensa cantidad de información que posee en su interior y como se almacena toda la información del interior de nuestro Universo en su borde conforme. Y ya puestos a pedir conoceremos como acceder a información de rincones distantes del espacio-tiempo a través de las dimensiones ocultas del Universo aunque de esto ya no estoy muy seguro 🙂 Sea lo que sea que este por venir está claro que será apasionante… Seguramente nuestro Universo es billones de veces mucho más grande de lo que podamos observar, seguramente el Big-Bang fue solo uno de los billones de Big-Bangs repartidos por el Multiverso… que nosotros pobres mortales seamos capaces de captar y “entender” las leyes fundamentales de este inmenso Multiverso observando solo una pequeña región de el con el enorme poder de las Matemáticas y los “experimentos mentales” es probablemente lo más increíble de todo. ¿Hasta donde será capaz de llegar el enorme poder de la ciencia?

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