Búsqueda de neutrinos procedentes de la fusión de agujeros negros

En febrero de 2016, LIGO anunció la primera detección directa de ondas gravitacionales originadas por la fusión de un par de agujeros negros. Dicha detección, llamada GW150914, representa también la primera observación directa de agujeros negros, así como la primera evidencia de una colisión y fusión de estos objetos. A fin de obtener la mayor cantidad de información posible acerca de los agujeros negros y de su entorno, iniciamos también la búsqueda de otras señales que pudieran estar relacionadas con la colisión; en particular, se inició la búsqueda de ondas electromagnéticas y de neutrinos. Este artículo se centrará en la búsqueda de neutrinos coincidentes con GW150914.

¿Qué son los neutrinos? ¿Qué tienen que ver con la fusión de agujeros negros?

Los neutrinos son pequeñas partículas sin carga eléctrica producidas naturalmente por explosiones de estrellas (supernova), el Sol, rayos cósmicos penetrando en la atmósfera terrestre, elementos radioactivos decayendo, o por fuentes artificiales como reactores nucleares o aceleradores de partículas. Recientemente se han detectado neutrinos altamente energéticos de origen astrofísico desconocido. Una posibilidad es que dichos neutrinos sean emitidos desde regiones cercanas a un agujero negro. Los agujeros negros devoran gases y polvo circundantes en un proceso denominado acreción. Durante este proceso, algunas de las partículas son capaces de escapar y abandonar el entorno del agujero negro a altas velocidades. Es posible que los neutrinos altamente energéticos sean producto de esta fuga, transportando información importante acerca del agujero negro y su entorno (ver fig. 1). Aunque suponemos que la mayoría de colisiones de agujeros negros se dan en entornos no lo suficientemente cargados de gas como para producir una emisión detectable de neutrinos, podríamos detectar una señal si la fusión se produjera cerca del centro de la galaxia. ¡La única manera de testear estas predicciones teóricas es observar eventos como GW150914 y ver que encontramos!

¿Cómo detectamos neutrinos?

A pesar de que las ondas gravitacionales y los neutrinos son fenómenos de muy distinta naturaleza, tienen una importante característica en común: una vez son producidos, son capaces de viajar por el Universo sin verse prácticamente afectados por galaxias, estrellas, gases o polvo que se encuentren en su camino, de manera que transportan información acerca de su origen, haciendo de ellos unos excelentes informadores astrofísicos. Por desgracia, también interaccionan muy débilmente con objetos terrestres, de manera que es muy difícil detectarlos. Los dos detectores de neutrinos que usamos en esta búsqueda funcionan midiendo unas interacciones extremadamente raras entre neutrinos y moléculas de agua líquida o hielo. (Para más información acerca de los neutrinos y su detección consulte https://icecube.wisc.edu/outreach/neutrinos.) Se necesitan grandes detectores para tener fiabilidad a la hora de detectar neutrinos. El mayor detector del mundo, IceCube, se encuentra localizado en las profundidades del hielo del Polo Sur. Su volumen total es de un kilómetro cúbico, aproximadamente el mismo volumen de agua usado en un día en Estados Unidos. El segundo mayor detector, ANTARES, se encuentra localizado en las profundidades del mar Mediterráneo, al sur de Francia. En la figura 2 se muestran imágenes de los detectores LIGO, así como de IceCube y de ANTARES.

¿Qué encontramos?

Tras la detección de las ondas gravitacionales, los científicos de LIGO y Virgo, en colaboración con IceCube y ANTARES, iniciaron la búsqueda de neutrinos energéticos originados en la colisión de agujeros negros que produjo GW150914. El primer paso fue comprobar si hubo alguna detección de neutrinos por parte de IceCube o ANTARES aproximadamente al mismo tiempo que LIGO detectaba las ondas gravitacionales. Pudieron identificarse tres neutrinos detectados por IceCube en una ventana temporal de 1000 segundos alrededor de la detección de ondas gravitacionales. No hubo ninguna detección por parte de ANTARES en dicho momento.

El siguiente paso fue determinar la dirección de procedencia de las ondas gravitacionales y compararla con la dirección de origen de los tres neutrinos detectados por IceCube. Si GW50914 y algún neutrino hubiesen sido producidos por la misma colisión, entonces ambas señales tendrían una misma dirección de procedencia asociada. GW150914 alcanzó el observatorio LIGO en Livingston, Louisiana, aproximadamente 7 milisegundos antes de alcanzar el observatorio LIGO en Hanford, Washington. Esta pequeña diferencia temporal, unida a que las ondas gravitacionales se propagan a la velocidad de la luz, nos permitió reconstruir la zona de emisión de la señal. Un análisis más detallado produjo los resultados señaladas en rojo en la figura 3. Comparando estos resultados con los orígenes de los neutrinos de IceCube (también mostrados en la figura 3), se observa que no hay coincidencia. Este resultado sugiere que la coincidencia en el tiempo de llegada de las ondas gravitacionales y los neutrinos fue una casualidad.

¿Y ahora qué?

A pesar de que no hubo detecciones conjuntas, la búsqueda conjunta de neutrinos y ondas gravitacionales originadas en los eventos más energéticos del cosmos representa un nuevo y emocionante camino de la astrofísica de altas energías. Durante los próximos años veremos una mejora sustancial de la red global de detectores de ondas gravitacionales, añadiéndose en primer lugar Advanced Virgo, en Italia; seguido de KAGRA, en Japón; y, finalmente, un tercer detector LIGO en la India. Estos detectores adicionales mejorarán significativamente nuestra capacidad a la hora de localizar fuentes de ondas gravitacionales en el firmamento y, por extensión, nuestra eficacia a la hora de llevar a cabo búsquedas conjuntas de ondas gravitacionales y neutrinos. Estas búsquedas podrían ayudarnos a entender la posible conexión existente entre los agujeros negros y las partículas altamente energéticas que, desde el cosmos más distante, azotan, día tras día, nuestra atmósfera.

Para leer más:

Figuras asociadas

Figure 1: Schematic illustration of the merger of two black holes in a gaseous environment

Figura 1: Ilustración esquemática de la fusión de dos agujeros negros en un entorno gaseoso. En primer lugar, los dos agujeros negros se encuentran orbitando uno alrededor del otro, acercándose lentamente, a causa de la emisión de energía en forma de ondas gravitacionales. A medida que la distancia entre ellos se acorta, orbitan más y más rápido, emitiendo ondas gravitacionales más potentes y a mayor frecuencia. Durante este proceso, el gas circundante puede acercarse al sistema, acumulándose lentamente alrededor de los agujeros negros. Finalmente, los agujeros negros se fusionan, dando lugar a uno mayor. Alrededor de este nuevo agujero negro comienza a arremolinarse y colisionar el gas circundante, dando lugar al llamado disco de acreción. Parte del material de este disco escapará formando un flujo altamente energético produciendo neutrinos altamente energéticos. Crédito: I. Bartos (2016)

Figure 2: The four detectors that participated in the joint search.

Figura 2: Los cuatro detectores que participaron en la búsqueda conjunta. En la esquina superior izquierda e inferior derecha se muestran, respectivamente, los detectores de neutrinos IceCube y ANTARES. Por otra parte, en la esquina superior derecha e inferior izquierda se muestran, respectivamente, los detectores de ondas gravitacionales LIGO Hanford y LIGO Livingston. Crédito: IceCube Collaboration, LIGO/Caltech, F. Montanet.

Figure 3: Expected sky locations of the gravitational-wave signal and the three neutrinos.

Figura 3 (adaptada de la figura 1 de nuestra publicación): Posiciones celestes esperadas de la señal de ondas gravitacionales y los tres neutrinos. La línea roja circunda la región de origen de las ondas gravitacionales (con una probabilidad del 90%). Los símbolos "x" verdes muestran la dirección de origen de los tres neutrinos. Como ninguno de los neutrinos proviene de una región circundada por la línea roja, se desprende automáticamente que la medición simultanea de neutrinos y ondas gravitacionales fue una mera casualidad.