Un «calamar galáctico» sorprende a la ciencia con neutrinos «fantasma»
Un flujo anómalo de neutrinos detectado en la galaxia del Calamar o NGC 1068 podría cambiar la forma en que los científicos entienden el universo. La ausencia de rayos gamma acompañantes podría indicar un mecanismo de producción de neutrinos completamente nuevo.
Por Enrique Coperías
La galaxia del Calamar, conocida formalmente como NGC 1068 o Messier 77, se encuentra en la constelación de Cetus (la Ballena), a una distancia de aproximadamente 47 millones de años luz de la Tierra. Este objeto es uno de los más estudiados en astronomía debido a su intensa actividad galáctica y a la emisión de partículas como neutrinos, que han sido recientemente detectadas desde su dirección. Cortesía: NASA
Un equipo internacional de investigadores, entre los que se encuentra el Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo, en Japón, ha utilizado un desajuste entre las partículas elementales y los rayos gamma de NGC 1068, también conocida como la galaxia del Calamar, para proponer una nueva vía por la que pueden producirse neutrinos.
Los neutrinos son partículas subatómicas extremadamente ligeras y difíciles de detectar, que forman parte del modelo estándar de la física de partículas. No tienen carga eléctrica y su masa es casi nula, aunque no exactamente cero. Estas características hacen que interactúen muy débilmente con la materia: pueden atravesar planetas enteros, como si fueran un colador, sin ser detenidos ni desviados.
Existen tres tipos o sabores de neutrinos —electrónico, muónico y tauónico— y pueden transformarse entre ellos en un fenómeno llamado oscilación de neutrinos. Estos se generan en procesos nucleares como los que ocurren en el Sol, en las supernovas, en los reactores nucleares y también en eventos cósmicos de alta energía.
IceCube, el detector de neutrinos en el hielo antártico
Debido a su naturaleza esquiva, su detección requiere grandes instalaciones como el Observatorio de Neutrinos IceCube, ubicado en el Polo Sur, que utiliza bloques de hielo o grandes tanques de agua para captar las señales indirectas que dejan al interactuar con otras partículas. Estudiarlos permite a los científicos explorar desde el funcionamiento interno de las estrellas hasta los secretos más profundos del universo.
Así pues, el hielo antártico tiene ojos que pueden ver estas partículas elementales, y lo que han observado está desconcertando a los científicos: una señal de neutrinos extraordinariamente fuerte acompañada de una emisión de rayos gamma sorprendentemente débil en la galaxia del Calamar. Los ojos son un conjunto de detectores enterrados en un kilómetro cúbico de hielo, el citado Observatorio de Neutrinos IceCube.
Físicos teóricos de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA), de la Universidad de Osaka y del Instituto Kavli están utilizando sus observaciones de la galaxia NGC 1068 para proponer una ruta completamente nueva por la que pueden producirse neutrinos.
Un modelo alternativo: desintegración de helio bajo radiación ultravioleta
Los datos de la galaxia del Calamar, que se se encuentra en la constelación de Cetus (la Ballena), a una distancia de aproximadamente 47 millones de años luz de la Tierra, son del todo desconcertantes para los físicos. Estos creen que los neutrinos energéticos de los centros galácticos activos se originan a partir de interacciones entre protones y fotones, que producen rayos gamma de intensidad comparable. Sin embargo, la emisión de rayos gamma de NGC 1068 es significativamente menor de lo esperado y muestra una forma espectral claramente diferente.
Los modelos tradicionales, incluidos los basados en colisiones protón-fotón y en la emisión procedente de la región de plasma caliente de la galaxia conocida como corona, se han utilizado ampliamente para explicar estas señales de neutrinos, pero se han enfrentado a limitaciones teóricas, lo que ha impulsado la búsqueda de una nueva explicación.
En un artículo publicado en Physical Review Letters, los investigadores sugieren que los neutrinos de alta energía de NGC 1068 proceden principalmente de la desintegración de neutrones cuando los núcleos de helio del chorro de la galaxia se rompen bajo una intensa radiación ultravioleta. Cuando estos núcleos de helio colisionan con los fotones ultravioleta emitidos por la región central de la galaxia, se fragmentan y liberan neutrones que posteriormente decaen en neutrinos. Las energías de los neutrinos resultantes coinciden con las observaciones.
Pistas sobre el agujero negro del «calamar galáctico»
Además, los electrones generados por estas desintegraciones nucleares interactúan con los campos de radiación circundantes, creando así rayos gamma coherentes con la menor intensidad observada. Este escenario explica elegantemente por qué la señal de neutrinos eclipsa drásticamente la emisión de rayos gamma y explica el espectro de energía distinto observado tanto en los neutrinos como en los rayos gamma.
El descubrimiento ayuda a los científicos a comprender cómo los chorros cósmicos de las galaxias activas pueden emitir neutrinos potentes sin el correspondiente resplandor de rayos gamma. Este hallazgo arrojando nueva luz sobre las condiciones extremas y complejas que rodean a los agujeros negros supermasivos, incluido el que se encuentra en el centro de nuestra propia galaxia. Hablamos de Sagitario A*, que vive en la constelación de Sagitario, a unos 26.000 años luz de la Tierra.
«No sabemos mucho sobre la región central y extrema cercana al centro galáctico de NGC 1068 —afirma Alexander Kusenko, coautor del estudio, catedrático de Física y Astronomía de la UCLA e investigador principal del Instituto Kavli de Física. Y añade—: Si nuestra hipótesis se confirma, nos dirá algo sobre el entorno cercano al agujero negro supermasivo del centro de esa galaxia».
Las partículas que todo lo atraviesan
Además, confirma la existencia de fuentes astrofísicas de neutrinos ocultas cuyas señales podrían haber pasado desapercibidas anteriormente debido a sus débiles firmas de rayos gamma.
Los neutrinos son partículas subatómicas que interactúan muy débilmente con la gravedad y pueden atravesar como si nada la materia. Por eso son aún más difíciles de detectar que otras partículas subatómicas, como los electrones. El Observatorio de Neutrinos IceCube consta de 5.160 sensores enterrados en hielo antártico transparente y comprimido que buscan sucesos que podrían producir los neutrinos cuando atraviesan el hielo, interactúan con él y crean partículas cargadas.
«Tenemos telescopios que utilizan la luz para observar las estrellas, pero muchos de estos sistemas astrofísicos también emiten neutrinos —explica Kusenko. Y añade—: Para ver neutrinos, necesitamos un tipo diferente de telescopio, y ése es el telescopio que tenemos en el Polo Sur».
El telescopio de neutrinos IceCube, ubicado en la estación Amundsen-Scott del Polo Sur, es un experimento de astrofísica de partículas único en el mundo. Cuenta con más de 5.000 sensores ópticos distribuidos en un kilómetro cúbico de hielo antártico, diseñados para detectar neutrinos provenientes de los rincones más extremos del universo. Cortesía: IceCube
¿Cómo se generan los neutrinos?
Los neutrinos suelen producirse cuando protones acelerados interactúan con fotones y emiten radiación gamma de una fuerza de energía similar a la del neutrino. Así pues, los neutrinos energéticos suelen ir emparejados con rayos gamma energéticos.
Sin embargo, el telescopio de neutrinos IceCube detectó neutrinos muy energéticos procedentes de NGC 1068 acompañados de un débil flujo de rayos gamma, lo que apunta a que los neutrinos podrían haberse producido de otra forma.
El nuevo artículo propone que si un núcleo de helio se acelera en el chorro de un agujero negro supermasivo, choca contra los fotones, se rompe y esparce sus dos protones y dos neutrones en el espacio. Los protones pueden volar, pero los neutrones son inestables y se descomponen en neutrinos, sin producir rayos gamma.
Implicaciones para la física y la astrofísica
«El hidrógeno y el helio son los dos elementos más comunes en el espacio —explica Koichiro Yasuda, primer autor y estudiante de doctorado de la UCLA. Y continúa—: Pero el hidrógeno solo tiene un protón, y si ese protón se topa con fotones producirá tanto neutrinos como fuertes rayos gamma. Pero los neutrones tienen una forma adicional de formar neutrinos que no produce rayos gamma. Así que el helio es el origen más probable de los neutrinos que observamos en la galaxia del Calamar».
El escenario arroja luz sobre los entornos extremos que rodean a los agujeros negros supermasivos situados en el centro de muchas galaxias, entre ellas NGC 1068 y la nuestra, donde una gravedad y una energía insondablemente inmensas desgarran literalmente los átomos.
Aunque no hay necesariamente una línea recta entre la comprensión del centro galáctico y la mejora del bienestar humano, los conocimientos adquiridos mediante el estudio de partículas como los neutrinos y radiaciones como los rayos gamma tienden a conducir la tecnología por caminos sorprendentes y transformadores.
Diagrama esquemático de cómo se producen los neutrinos por la desintegración de neutrones producidos por fotólisis de núcleos. Crédito: Yasuda et al.
El futuro de la astronomía de neutrinos
«Cuando Joseph John Thomson recibió el Premio Nobel de Física en 1906 por el descubrimiento de los electrones, hizo un famoso brindis en la cena posterior a la ceremonia, diciendo que probablemente se trataba del descubrimiento más inútil de la historia» —explica Kusenko. Y añade—: Y, por supuesto, todos los smartphones, todos los dispositivos electrónicos actuales, utilizan el descubrimiento que Thompson hizo hace casi 125 años».
Kusenko también dijo que la física de partículas dio origen a internet, que nació como una red desarrollada por físicos que necesitaban mover grandes cantidades de datos entre laboratorios. Y señaló que el descubrimiento de la resonancia magnética nuclear parecía oscuro en su momento, pero condujo al desarrollo de la tecnología de imagen por resonancia magnética, que ahora se utiliza de forma rutinaria en medicina.
«Nos encontramos en los albores del nuevo campo de la astronomía de neutrinos, y los misteriosos neutrinos de NGC 1068 son uno de los enigmas que tenemos que resolver por el camino —dice Kusenko en un comunicado del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo. Y concluye—: La inversión en ciencia va a producir algo que quizá no se pueda apreciar ahora, pero que podría producir algo grande décadas más tarde. Es una inversión a largo plazo y las empresas privadas son reacias a invertir en el tipo de investigación que estamos haciendo. Por eso es tan importante la financiación pública de la ciencia, y por eso son tan importantes las universidades». ▪️
Información facilitada por el Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo
Fuente: Yasuda, Koichiro and Sakai, Nobuyuki and Inoue, Yoshiyuki and Kusenko, Alexander. Neutrinos and Gamma Rays from Beta Decays in an Active Galactic Nucleus NGC 1068 Jet. Physical Review Letters (2025). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.151005
