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Los telescopios MAGIC ayudan a encontrar el origen de un neutrino cósmico

12 Jul. 2018

Una campaña mundial de observación con múltiples instrumentos, en la que han participado los telescopios MAGIC del Observatorio del Roque de los Muchachos en La Palma, permite localizar, por primera vez, la fuente de un neutrino cósmico proveniente de fuera de la Vía Láctea. Los resultados, publicados en la revista Science, se presentan hoy en una rueda de prensa desde la sede de la National Science Foundation (NSF) en Estados Unidos.

Un equipo internacional de científicos ha logrado identificar la procedencia de un neutrino combinando una señal detectada por el experimento IceCube, en la Antártida, con medidas del observatorio espacial Fermi-LAT y de los telescopios MAGIC, así como de otros instrumentos repartidos por todo el mundo. Con una alta probabilidad, el neutrino se originó en un agujero negro activo en el centro de una galaxia distante de tipo blazar en la constelación de Orión. Esta observación, llamada de tipo multimensajero, podría proporcionar también pistas para resolver el misterio del origen de los rayos cósmicos.

Los neutrinos son partículas elementales que prácticamente no interaccionan con el mundo que nos rodea. Aunque son difíciles de detectar, son mensajeros cósmicos importantes ya que traen consigo información excepcional sobre las regiones donde son producidos. El mayor detector especializado en cazar estas partículas elusivas es IceCube. El 22 de septiembre de 2017 este observatorio detectó un neutrino muy especial: su alta energía (aproximadamente 290 billones de electronvoltios) indicaba que la partícula podía haberse originado en un objeto celeste lejano. Además, los científicos pudieron determinar su dirección de llegada con alta precisión.

Según explica Razmik Mirzoyan, portavoz de la colaboración MAGIC y científico del Instituto Max Planck de Física en Munich, “la teoría predice que la emisión de neutrinos está acompañada por la emisión de partículas de luz o fotones que son radiación electromagnética que puede detectarse con telescopios”. Por ese motivo, la alerta del neutrino fue enviada a numerosos instrumentos con la esperanza de que sus observaciones pudiesen discernir el origen de la fuente de la partícula.

Fermi-LAT, un observatorio espacial que estudia todo el cielo, comunicó que la dirección del neutrino estaba alineada con una fuente de rayos gamma (fotones de alta energía) a una distancia de 4500 millones de años luz de la Tierra: el blazar TXS 0506+056, un núcleo activo de galaxia con un agujero negro super-masivo que emite “jets” o flujo de partículas y de radiación muy energética a casi la velocidad de la luz.

Por su parte, MAGIC, dos telescopios Cherenkov de 17 metros que detectan rayos gammas de altas energías desde el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma), descubrió que la radiación del blazar alcanza energías de, al menos, 500 mil millones de electronvoltios. Estos hallazgos, combinados con la dirección del neutrino, hacen que el blazar sea un candidato probable como fuente de neutrinos.

Otros telescopios “convencionales” intentaron también observar la fuente del evento con el propósito de averiguar la distancia. Sin embargo, la señal era tan tenue que sólo las observaciones realizadas con el Gran Telescopio Canarias (GTC), el mayor telescopio óptico-infrarrojo del mundo situado en el observatorio del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) en La Palma, permitieron detectar los rasgos típicos de la emisión del gas de la galaxia, y con ello determinar su distancia.

Un rastro de la radiación cósmica
Como la creación de los neutrinos está asociada a interacciones de protones, las observaciones también pueden ayudar a resolver un viejo misterio: el origen de la radiación cósmica, descubierta por el físico Victor Hess en 1912. Los rayos cósmicos consisten mayoritariamente en protones de altas energías. Según aclara Elisa Bernardini, investigadora principal del proyecto en MAGIC, científica de DESY Zeuthen y de la Universidad Humboldt en Berlin, el motivo de que sea tan difícil encontrar las fuentes de origen de los rayos cósmicos se debe a que “los protones de carga eléctrica positiva son desviados por los campos magnéticos en el espacio, por lo que, al no viajar en línea recta, no podemos ver la dirección de dónde vienen”.

En cambio, los neutrinos y los fotones, al no tener carga eléctrica, viajan por el universo sin desviarse. Esto permite identificar los objectos astrofísicos en los que se originaron. “El neutrino cósmico nos dice que el blazar es capaz de acelerar protones a muy altas energías y, por eso, podría ser una fuente de la radiación cósmica”, añade Bernardini.

Descendientes de protones en el jet
Una vez descubierta la procedencia, los telescopios MAGIC siguieron observando el blazar durante 41 horas obteniendo información adicional sobre los procesos intrínsecos dentro de la fuente. “El resultado confirma que, aparte del neutrino, los rayos gamma son producidos parcialmente por protones de alta energía en el jet – explica Mirzoyan-, por lo que ésta es la primera vez que podemos confirmar que tanto los neutrinos como los rayos gamma proceden del mismo progenitor, el protón”.

Los científicos encontraron, además, una huella muy clara en el espectro de rayos gamma de altas energías proveniente del blazar. “Vemos una pérdida de fotones en un cierto rango de energías, -describe Bernardini-, lo que implica que el neutrino de IceCube podría haberse producido por la interacción de protones con los fotones dentro del jet del blazar”. Estos resultados, que acaban de publicarse en la revista The Astrophysical Journal Letters, “corroboran una conexión genuina entre los mensajeros de distintas partículas: el neutrino y los fotones”, comenta Mirzoyan.

MAGIC y la astronomía multimensajero
María Victoria Fonseca, Presidenta de la Junta de la Colaboración MAGIC y Catedrática de la Universidad Complutense de Madrid (UCM) considera que “este trabajo pionero de coordinación entre técnicas de observación tan dispares en observatorios repartidos por todo el globo, en los lugares más extremos del Universo, abre una nueva era en la detección de los mensajeros cósmicos, ofreciéndonos una nueva perspectiva del Cosmos”.

Por su parte, Manel Martínez, presidente del comité de asignación del tiempo de observación de MAGIC e Investigador del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) en Barcelona, destaca la alta prioridad que este tipo de alertas tiene y añade que “con estas observaciones MAGIC está ya contribuyendo decisivamente a abrir las nuevas ventanas al Universo”.

La comunidad española participa en MAGIC desde sus inicios a través de varios centros de investigación públicos, entre ellos, el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE), la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), la Universidad de Barcelona (UB) y la Universidad Complutense de Madrid (UCM). Además, el centro de datos de MAGIC es el Port d'Informació Científica (PIC), una colaboración del IFAE y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT).

Artículo: The IceCube Collaboration et al. Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A. Science, Vol. 361, Issue 6398, 13 Jul 2018. DOI: 10.1126/science.aat1378 http://science.sciencemag.org/content/361/6398/eaat1378

Noticia relacionada: GTC estudia el origen del neutrino detectado en el “Cubo de Hielo” en el Polo Sur

Retransmisión en directo de la rueda de prensa (17:00 horas CET, 16:00 horas Canarias):
https://www.youtube.com/c/VideosatNSF/live

Contactos:
Razmik Mirzoyan
Portavoz de la Colaboración MAGIC
Instituto Max Planck de Física, Múnich, Alemania
Razmik.Mirzoyan@mpp.mpg.de

Elisa Bernardini
Investigadora Principal del proyecto
DESY Zeuthen y Universidad Humboldt, Berlín, Alemania
Elisa.Bernardini@desy.de

Oscar Blanch
Responsable de divulgación de la Colaboración MAGIC
IFAE, Barcelona, España
blanch@ifae.es
+34-662-121-243

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