¿Qué son estas partículas "fantasmales" detectadas por primera vez en nuestra galaxia?

Una tarde de enero de 2022, tres científicos se apiñaban sobre los resultados de su análisis más reciente, que había utilizado aprendizaje automático para ordenar una década de datos del enorme Observatorio de Neutrinos IceCube, construido bajo tierra en el remoto y helado desierto del Polo Sur.

Los neutrinos, misteriosas partículas subatómicas que se originan en fenómenos astronómicos violentos, como explosiones estelares y agujeros negros activos, son increíblemente difíciles de detectar. Sus masas diminutas y su capacidad para atravesar nubes de gas e incluso planetas sólidos les permiten desplazarse por el espacio casi sin ser detectados.

Pero ese día, por primera vez, los investigadores observaron un exceso de neutrinos en los datos de nuestra propia galaxia, correspondiente a la banda central de estrellas de la Vía Láctea que cruza el cielo en arco.

"Llevamos milenios observando la Vía Láctea, y nosotros tres somos los primeros en verla de otra forma que no sea la luz", dijo aquel día Naoko Kurahashi Neilson, física de la Universidad de Drexel (en Filadelfia, Estados Unidos), a los otros dos investigadores, los estudiantes de posgrado Stephan Sclafani y Mirco Hünnefeld. "No dejéis escapar el romanticismo de este momento".

Dado que los neutrinos transportan valiosa información sobre el universo, el descubrimiento significa que nuestra galaxia puede ser una pieza importante para entender cómo se desarrollan los acontecimientos más energéticos del cosmos, según un nuevo estudio del equipo de IceCube, publicado el 29 de junio en Science.

Desde su puesta en marcha en 2011, el observatorio sólo ha detectado neutrinos procedentes de fuera de la Vía Láctea, principalmente en galaxias que contienen agujeros negros extremadamente activos.

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El encuentro de las partículas con la astronomía

Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, los observadores disponían de una única herramienta para estudiar el cosmos: sus propios ojos. Y lo que veían era nuestro Sol, la Luna, los planetas más brillantes y las estrellas de la Vía Láctea trazando una gruesa banda a través del cielo.

Con el tiempo, la invención de los telescopios reveló otras formas de luz, más energéticas de lo que nuestros ojos pueden descifrar, como las estrellas en explosión y los brillantes entornos que rodean a los agujeros negros activos.

Pero las entidades cósmicas no sólo expulsan luz.

"Durante generaciones, los astrónomos han intentado cartografiar el cielo en toda su extensión y, en astronomía óptica, han tenido un éxito tremendo", afirma John F. Beacom, físico especializado en neutrinos de la Universidad Estatal de Ohio, que no participa en el nuevo artículo. "En astronomía de neutrinos, esto no ha hecho más que empezar".

El detector de neutrinos IceCube, situado a unos 1,5 kilómetros bajo la superficie, alberga 5160 módulos del tamaño de una pelota de baloncesto encerrados en un kilómetro cúbico de hielo antártico. Cada uno de esos módulos busca señales luminosas creadas cuando las partículas interactúan con el hielo.

Los neutrinos atraviesan indemnes la mayor parte de la materia, aunque de vez en cuando alguno interactúa con ella, iniciando una serie de acontecimientos que los físicos pueden observar con sus sensibles detectores. De los pocos que existen, IceCube es el más grande.

Pero también se cuelan muchas partículas que los científicos no quieren. "La búsqueda de neutrinos es siempre muy difícil, porque tenemos que luchar contra muchos fondos", explica Elisa Resconi, miembro del equipo de IceCube en la Universidad Técnica de Múnich (Alemania).

Una forma de eliminar las partículas no deseadas es utilizar la Tierra como escudo. Aunque IceCube tiene su sede en la Antártida, la mayoría de sus detecciones se centran en el cielo septentrional. Pero el centro de la Vía Láctea y sus lugares más activos sólo son visibles desde el cielo austral. Eso significa que los investigadores tuvieron que utilizar métodos creativos para escarbar en el fondo y extraer las señales correspondientes a los neutrinos.

Para ello, Kurahashi Neilson, Sclafani y Hünnefeld entrenaron a un programa para que rastreara los datos de IceCube recogidos entre mayo de 2011 y mayo de 2021 y seleccionara un tipo específico de señales, las que se ven como una mancha o estallido en el detector. Estas señales se denominan "cascadas" y se producen cuando un neutrino choca contra una partícula de hielo del detector y libera energía rápidamente. Sin embargo, este tipo de señal no es fácil de localizar en el cielo. En su lugar, se asemeja a la visión borrosa que se puede tener si uno se olvida de ponerse las gafas, dice Kurahashi Neilson.

Cuando observaron los resultados, en enero de 2022, los investigadores vieron un resplandor evidente disperso a lo largo del plano de la galaxia y hacia su centro.

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Descifrando una vieja incógnita

La causa de este resplandor de neutrinos galácticos podría estar relacionada con un misterio de 110 años que rodea a las partículas conocidas como rayos cósmicos, afirma el investigador principal de IceCube, Francis Halzen, de la Universidad de Wisconsin-Madison (Estados Unidos).

Se trata de protones de alta energía y otras partículas que serpentean por el universo, incluido el disco de nuestra galaxia, siguiendo las trayectorias trazadas por los campos magnéticos. Los físicos saben desde 1912 que los rayos cósmicos existen y bombardean la Tierra, pero aún no saben qué es lo que da tanta energía a estas partículas.

Sin embargo, sí saben que cuando los rayos cósmicos interactúan con la materia, generan neutrinos de alta energía. Al igual que ocurre con la luz, los neutrinos se presentan en diferentes energías. El sol, por ejemplo, libera neutrinos de energía mucho más baja; los detectados en 2013 eran de alta energía.

Por tanto, es posible que estos neutrinos recién detectados sean el resultado de la colisión de rayos cósmicos con el material celeste de nuestra propia galaxia. IceCube también podría estar viendo señales de objetos energéticos individuales, como explosiones de supernovas, que impulsan protones a energías extremas que luego chocan contra ese gas galáctico. Los investigadores afirman que aún se tardará unos cuantos años en descubrir qué es este resplandor.

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A la caza de neutrinos

Otro detector de neutrinos a gran escala, que pronto entrará en funcionamiento en el Mar Mediterráneo, debería ayudar. El KM3Net, un instrumento del tamaño de un kilómetro, sigue un principio similar al de IceCube.

Cuando un neutrino colisiona con una molécula de agua, por ejemplo, las líneas de detectores verán destellos de luz. Como KM3Net está situado en el hemisferio norte, puede utilizar la Tierra para bloquear gran parte del fondo cuando mira hacia el plano galáctico. Esto debería desentrañar aún más misterios en torno a los neutrinos y su papel en los cataclismos.