Nuevos estudios de neutrinos realizados a partir de datos de Swift de la NASA

La instalación transitoria de Zwicky capturó esta instantánea del evento de interrupción de las mareas AT2019dsg, en un círculo, el 19 de octubre de 2019. Crédito: ZTF / Caltech Optical Observatories.

Por segunda vez, los astrónomos han vinculado una partícula esquiva llamada neutrino de alta energía a un objeto fuera de nuestra galaxia. Utilizando instalaciones terrestres y espaciales, incluido el Observatorio Swift Neil Gehrels de la NASA, rastrearon el neutrino hasta un agujero negro que desgarraba una estrella, una rara ocurrencia cataclísmica llamada evento de interrupción de las mareas.

“Los astrofísicos han teorizado durante mucho tiempo que las interrupciones de las mareas podrían producir neutrinos de alta energía, pero esta es la primera vez que hemos podido conectarlos con evidencia observacional”, dijo Robert Stein, estudiante de doctorado en el Sincrotrón Electrónico Alemán (DESY ) centro de investigación en Zeuthen, Alemania, y la Universidad Humboldt en Berlín. “Pero parece que este evento en particular, llamado AT2019dsg, no generó el neutrino cuando o como lo esperábamos. Nos está ayudando a comprender mejor cómo funcionan estos fenómenos “.

Los hallazgos, dirigidos por Stein, se publicaron en la edición del 22 de febrero de Nature Astronomy y están disponibles en línea.

Observa cómo un agujero negro monstruoso que destroza una estrella, puede haber lanzado una partícula fantasma hacia la Tierra. Los astrónomos han predicho durante mucho tiempo que los eventos de interrupción de las mareas podrían producir neutrinos de alta energía, partículas casi sin masa provenientes del exterior de nuestra galaxia que viajan cerca de la velocidad de la luz. Un evento reciente, llamado AT2019dsg, proporciona la primera prueba de que esta predicción es cierta, pero ha desafiado las suposiciones de los científicos sobre dónde y cuándo podrían formarse estas elusivas partículas durante estos estallidos destructivos.
Créditos: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA.

Los neutrinos son partículas fundamentales que superan con creces en número a todos los átomos del universo, pero rara vez interactúan con otra materia. Los astrofísicos están particularmente interesados ​​en los neutrinos de alta energía, que tienen energías hasta 1.000 veces mayores que las producidas por los colisionadores de partículas más poderosas de la Tierra. Creen que los eventos más extremos del universo, como violentos estallidos galácticos, aceleran las partículas a casi la velocidad de la luz. Luego, esas partículas chocan con la luz u otras partículas para generar neutrinos de alta energía. La primera fuente de neutrinos de alta energía confirmada, anunciada en 2018, fue un tipo de galaxia activa llamada blazar.

Los eventos de interrupción de las mareas ocurren cuando una estrella desafortunada se acerca demasiado a un agujero negro. Las fuerzas gravitacionales crean intensas mareas que deforman la estrella en una corriente de gas. La parte final de la corriente se escapa del sistema, mientras que la parte principal gira hacia atrás, rodeando el agujero negro con un disco de escombros. En algunos casos, el agujero negro lanza chorros de partículas de rápido movimiento. Los científicos plantearon la hipótesis de que las interrupciones de las mareas producirían neutrinos de alta energía dentro de tales chorros de partículas. También esperaban que los eventos produjeran neutrinos al principio de su evolución, con el brillo máximo, cualquiera que fuese el proceso de producción de las partículas.

AT2019dsg fue descubierto el 9 de abril de 2019 por Zwicky Transient Facility (ZTF), una cámara robótica en el Observatorio Palomar de Caltech en el sur de California. El evento ocurrió a más de 690 millones de años luz de distancia en una galaxia llamada 2MASX J20570298 + 1412165, ubicada en la constelación Delphinus.

Como parte de un estudio de seguimiento de rutina de las interrupciones de las mareas, Stein y su equipo solicitaron observaciones visibles, ultravioleta y de rayos X con Swift. También tomaron mediciones de rayos X utilizando el satélite XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea y mediciones de radio con instalaciones que incluyen el Karl G. Jansky Very Large Array del Observatorio Nacional de Radioastronomía en Socorro, Nuevo México, y el telescopio MeerKAT del Observatorio de Radioastronomía de Sudáfrica.

El brillo máximo llegó y se fue en mayo. No apareció ningún chorro claro. Según las predicciones teóricas, AT2019dsg parecía un pobre candidato a neutrino.

Luego, el 1 de octubre de 2019, el Observatorio de Neutrinos IceCube de la Fundación Nacional de Ciencias en la Estación Amundsen-Scott del Polo Sur en la Antártida detectó un neutrino de alta energía llamado IC191001A y retrocedió a lo largo de su trayectoria hasta una ubicación concreta en el cielo. Aproximadamente siete horas después, ZTF notó que este mismo parche de cielo incluía AT2019dsg. Stein y su equipo creen que solo hay una posibilidad entre 500 de que la interrupción de la marea no sea la fuente del neutrino. Debido a que la detección se produjo unos cinco meses después de que el evento alcanzó el brillo máximo, surgen preguntas sobre cuándo y cómo estas ocurrencias producen neutrinos.

“Los eventos de interrupción de las mareas son fenómenos increíblemente raros, que solo ocurren una vez cada 10.000 a 100.000 años en una galaxia grande como la nuestra. Los astrónomos solo han observado unas pocas docenas en este punto ”, dijo el investigador principal de Swift, S. Bradley Cenko, del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. “Las mediciones de longitud de onda múltiple de cada evento nos ayudan a aprender más sobre ellos como clase, por lo que AT2019dsg fue de gran interés incluso sin una detección inicial de neutrinos”.

Por ejemplo, las interrupciones de las mareas generan luz visible y ultravioleta en las regiones exteriores de sus discos calientes de acreción. En AT2019dsg, estas longitudes de onda se estabilizaron poco después de alcanzar su punto máximo. Eso fue inusual porque tales mesetas suelen aparecer solo después de unos pocos años. Los investigadores sospechan que el monstruoso agujero negro de la galaxia, con una masa estimada en 30 millones de veces la del Sol, podría haber obligado a los escombros estelares a asentarse en un disco más rápidamente de lo que podría haberlo hecho alrededor de un agujero negro menos masivo.

AT2019dsg es una de las pocas interrupciones conocidas de mareas que emiten rayos X. Los científicos creen que los rayos X provienen de la parte interna del disco de acreción, cerca del agujero negro, o de chorros de partículas a alta velocidad. Los rayos X del estallido se desvanecieron en un 98% sin precedentes durante 160 días. El equipo de Stein no ve evidencia clara que indique la presencia de chorros y, en cambio, sugiere que un enfriamiento rápido en el disco probablemente explica la caída precipitada de los rayos X.

No todo el mundo está de acuerdo con este análisis. Otra explicación, escrita por Walter Winter de DESY y Cecilia Lunardini, profesora de la Universidad Estatal de Arizona en Tempe, propone que la emisión provino de un jet que fue rápidamente oscurecido por una nube de escombros. Los investigadores publicaron su interpretación alternativa en el mismo número de Nature Astronomy.

Los astrónomos creen que la emisión de radio en estos fenómenos proviene de las partículas aceleradas del agujero negro, ya sea en chorros o en salidas más moderadas. El equipo de Stein cree que AT2019dsg estaría en la última categoría. Los científicos también descubrieron que la emisión de radio continuaba de manera constante durante meses y no se desvanecía junto con la luz visible y ultravioleta, como se suponía anteriormente.

La detección de neutrinos, combinada con las mediciones de longitudes de onda múltiples, llevó a Stein y sus colegas a repensar cómo las interrupciones de las mareas podrían producir neutrinos de alta energía.

La emisión de radio muestra que la aceleración de partículas ocurre incluso sin chorros claros y potentes y puede funcionar bien después del pico de brillo radiación UV y visible. Stein y sus colegas sugieren que esas partículas aceleradas podrían producir neutrinos en tres regiones distintas de la interrupción de marea: en el disco exterior a través de colisiones con luz ultravioleta, en el disco interior a través de colisiones con rayos X y en la salida moderada de partículas a través de colisiones. con otras partículas.

El equipo de Stein sugiere que el neutrino de AT2019dsg probablemente se originó en la parte exterior del disco con brillo ultravioleta, basándose en el hecho de que la energía de la partícula era más de 10 veces mayor que la que pueden lograr los colisionadores de partículas.

“Predijimos que los neutrinos y las interrupciones de las mareas podrían estar relacionados, y ver eso por primera vez en los datos es muy emocionante”, dijo el coautor Sjoert van Velzen, profesor asistente de la Universidad de Leiden en los Países Bajos. “Este es otro ejemplo del poder de la astronomía de múltiples disciplinas, que utiliza una combinación de luz, partículas y ondas de espacio-tiempo para aprender más sobre el cosmos. Cuando era un estudiante de posgrado, a menudo se predijo que se acercaba esta nueva era de la astronomía, pero ahora ser parte de ella es muy gratificante “.

Goddard gestiona la misión Swift en colaboración con Penn State, el Laboratorio Nacional de Los Alamos en Nuevo México y Northrop Grumman Innovation Systems en Dulles, Virginia. Otros socios incluyen la Universidad de Leicester y el Laboratorio de Ciencias Espaciales Mullard en el Reino Unido, el Observatorio Brera y la Agencia Espacial Italiana en Italia.