Nuestra galaxia, la Vía Láctea, es un impresionante elemento del cielo nocturno, visible a simple vista como una banda de estrellas difusa de horizonte a horizonte. Ahora, por primera vez, el Observatorio de Neutrinos IceCube ha producido una imagen de la Vía Láctea utilizando neutrinos, diminutos mensajeros astronómicos de aspecto fantasmal que son extremadamente difíciles de detectar porque rara vez interactúan con la materia. En un artículo publicado en la revista Science, la Colaboración IceCube, un grupo internacional de más de 350 científicos presenta pruebas de la emisión de neutrinos de alta energía de la Vía Láctea.

La mayor parte de lo que sabemos sobre nuestro universo y la galaxia que nos alberga lo hemos aprendido observando la radiación electromagnética, que incluye la luz visible, pero se extiende en energía desde las ondas de radio a los rayos X y los rayos gamma, dijo Doug Cowen, profesor de física en el Penn State Eberly College of Science y miembro de la Colaboración IceCube. Esta nueva imagen de la Vía Láctea utilizando neutrinos es completamente diferente y nos permite explorar cuestiones sobre los orígenes y el funcionamiento de nuestra galaxia de nuevas maneras.

Los neutrinos de alta energía, con energías entre millones y miles de millones de veces superiores a las producidas por las reacciones de fusión que alimentan las estrellas, fueron detectados por el Observatorio de Neutrinos IceCube, un detector de gigatones que opera en la Estación Amundsen-Scott del Polo Sur. Fue construido y funciona gracias a la financiación de la National Science Foundation (NSF) y al apoyo adicional de los 14 países que acogen a miembros institucionales de la IceCube Collaboration. Este detector único en su género abarca un kilómetro cúbico de hielo antártico profundo instrumentado con más de 5.000 sensores de luz. IceCube busca señales de neutrinos de alta energía procedentes de nuestra galaxia y más allá, hasta los confines del universo.

El Observatorio de Neutrinos IceCube instrumenta un volumen de aproximadamente un kilómetro cúbico de hielo antártico transparente en el Polo Sur. Más de 5.000 módulos ópticos digitales (DOM) están congelados a profundidades de entre 1.450 y 2.450 metros. El observatorio incluye un subdetector densamente instrumentado, DeepCore, y un conjunto de duchas de aire de superficie, IceTop | Foto IceCube/NSF.

Como ocurre a menudo, los avances tecnológicos hacen posibles grandes avances científicos, declaró Denise Caldwell, directora de la División de Física de la NSF. Las capacidades del detector de alta sensibilidad IceCube, junto con las nuevas herramientas de análisis de datos, nos han proporcionado una visión completamente nueva de nuestra galaxia, que hasta ahora sólo se había insinuado. A medida que estas capacidades sigan perfeccionándose, podemos esperar ver cómo esta imagen emerge con una resolución cada vez mayor, revelando potencialmente características ocultas de nuestra galaxia nunca antes vistas por la humanidad.

Las interacciones entre los rayos cósmicos -protones de alta energía y núcleos más pesados, también producidos en nuestra galaxia- y el gas y el polvo galácticos producen inevitablemente tanto rayos gamma como neutrinos. Dada la observación de rayos gamma procedentes del plano galáctico, se esperaba que la Vía Láctea fuera una fuente de neutrinos de alta energía, según el equipo de investigación.

IceCube ha detectado anteriormente neutrinos energéticos procedentes de fuentes astrofísicas a mucha mayor distancia que nuestra propia Vía Láctea, pero esas fuentes estaban situadas en el cielo septentrional, lo que permitía a los analizadores utilizar la Tierra como filtro para eliminar todo menos los neutrinos. Debido a la orientación de la Tierra en la Vía Láctea, muchas fuentes galácticas potenciales de neutrinos están situadas en el cielo meridional.

Impresión artística de la emisión de neutrinos desde el plano galáctico sobre el laboratorio IceCube | foto IceCube/NSF. Foto original tomada por Martin Wolf

Eso significa que los analizadores tuvieron que idear otros métodos para reducir el fondo de partículas que llueven sobre el detector procedentes de interacciones de rayos cósmicos en la atmósfera en las proximidades del Polo Sur, explica Cowen. De otro modo, esas partículas ocultarían por completo la señal de neutrinos galácticos.

Para superar este obstáculo, los colaboradores de IceCube en la Universidad de Drexel desarrollaron análisis que seleccionan los sucesos «en cascada», o interacciones de neutrinos en el hielo que dan lugar a lluvias de luz localizadas y aproximadamente esféricas. Dado que la energía depositada de los sucesos en cascada comienza dentro del volumen instrumentado, se reduce la contaminación de muones y neutrinos atmosféricos. En última instancia, la mayor pureza de los sucesos en cascada proporcionó una mayor sensibilidad a los neutrinos astrofísicos procedentes del cielo austral.

Sin embargo, el avance definitivo vino de la mano de la implementación de métodos de aprendizaje automático, desarrollados por colaboradores de IceCube en la Universidad TU de Dortmund, que mejoran la identificación de cascadas producidas por neutrinos, así como su dirección y reconstrucción energética. La observación de neutrinos procedentes de la Vía Láctea es una muestra del valor crítico emergente que el aprendizaje automático aporta al análisis de datos y la reconstrucción de eventos en IceCube.

La Galaxia en neutrinos (mapa del cielo azul) delante de una impresión artística de la Vía Láctea | foto IceCube Collaboration/Science Communication Lab para CRC 1491

Los métodos mejorados nos permitieron retener más de un orden de magnitud de eventos de neutrinos con una mejor reconstrucción angular, lo que resultó en un análisis tres veces más sensible que la búsqueda anterior, dijo Mirco Hünnefeld, miembro de IceCube, estudiante de doctorado en física de TU Dortmund y analista colíder.

El conjunto de datos utilizado en el estudio incluía 60.000 neutrinos que abarcaban 10 años de datos de IceCube, 30 veces más eventos que la selección utilizada en un análisis previo del plano galáctico mediante eventos en cascada. Estos neutrinos se compararon con mapas de predicción publicados anteriormente de ubicaciones en el cielo en las que se esperaba que la galaxia brillara por los neutrinos.

Los mapas incluían uno elaborado a partir de la extrapolación de observaciones de rayos gamma de la Vía Láctea realizadas con el Fermi Large Area Telescope y dos mapas alternativos identificados como KRA-gamma por el grupo de teóricos que los elaboró.

Esta detección tan esperada de las interacciones de los rayos cósmicos en la galaxia es también un maravilloso ejemplo de lo que se puede conseguir cuando se aplican con coherencia los métodos modernos de descubrimiento de conocimiento en el aprendizaje automático, afirma Wolfgang Rhode, catedrático de Física de la Universidad TU de Dortmund, miembro de IceCube y asesor de Hünnefeld.

Vista del laboratorio IceCube con un cielo nocturno estrellado que muestra la Vía Láctea y auroras verdes | foto Yuya Makino, IceCube/NSF

El poder del aprendizaje automático ofrece un gran potencial de futuro, poniendo otras observaciones más al alcance de la mano.

Las sólidas pruebas de que la Vía Láctea es una fuente de neutrinos de alta energía han sobrevivido a rigurosas pruebas de la colaboración, afirma Ignacio Taboada, profesor de Física del Instituto de Tecnología de Georgia y portavoz de IceCube. Ahora el siguiente paso es identificar fuentes específicas dentro de la galaxia.

Estas y otras cuestiones se abordarán en los análisis de seguimiento previstos por IceCube. Observar nuestra propia galaxia por primera vez utilizando partículas en lugar de luz es un gran paso, afirma Naoko Kurahashi Neilson, profesora de Física de la Universidad de Drexel y miembro de IceCube.

Ahora se ha medido un neutrino homólogo, confirmando así lo que sabemos sobre nuestra galaxia y las fuentes de rayos cósmicos, dijo Steve Sclafani, estudiante de doctorado de física de Kurahashi Neilson y analizador colíder.

El Observatorio de Neutrinos IceCube se financia y gestiona principalmente a través de una subvención de la National Science Foundation a la Universidad de Wisconsin-Madison. La Colaboración IceCube, con más de 350 científicos de 58 instituciones de todo el mundo, dirige un extenso programa científico que ha sentado las bases de la astronomía de neutrinos.

Los esfuerzos de investigación de IceCube, incluidas las contribuciones críticas al funcionamiento del detector, están financiados por agencias de Australia, Bélgica, Canadá, Dinamarca, Alemania, Italia, Japón, Nueva Zelanda, República de Corea, Suecia, Suiza, Taiwán, Reino Unido y Estados Unidos, incluida la NSF.


Fuentes

Pennsylvania State University | IceCube Collaboration, Observation of high-energy neutrinos from the Galactic plane. Science380, 1338-1343(2023). DOI:10.1126/science.adc9818


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