Captura de explosiones cósmicas invisibles

Búsqueda de fuentes comunes de ondas gravitacionales y neutrinos de alta energía mediante LIGO, Vigo y IceCube

Las explosiones cósmicas son un excelente laboratorio para aprender sobre el comportamiento de partículas a altas energías, así como para obtener información sobre el universo distante. En el centro de estos eventos suele haber agujeros negros que absorben materia del entorno, dando como resultado chorros de gas altamente energéticos. Las partículas en estos chorros pueden alcanzar velocidades extremas, y pueden producir partículas elusivas casi sin masa llamadas neutrinos, que podemos observar desde largas distancias. El proceso energético llevado a cabo por el agujero negro central emite también como resultado ondas gravitacionales.

En algunas situaciones, las explosiones cósmicas son "oscuras", es decir, no emiten ningún tipo de luz observable por un detector distante. Esto puede deberse a que la explosión se encuentra en el interior de una estrella masiva, de manera que la luz que emite es absorbida por los alrededores, o sencillamente porque la corriente de gas procedente de la explosión es demasiado fría como para emitir luz observable. En casos como estos, nuestra mejor herramienta para obtener información de la explosión es recurrir a otros "mensajeros" cósmicos, como las ondas gravitacionales o los neutrinos, los cuales pueden atravesar finas capas de materia sin ser absorbidos; estos mensajeros, además, pueden ser distinguidos de las emisiones de otros eventos cósmicos más leves, facilitando su identificación.

Clic para ampliar. Una de las explosiones cósmicas más interesantes en las que esperamos ver tanto ondas gravitacionales como neutrinos altamente energéticos son los brotes de rayos gamma (BRG). Estas explosiones de fotones altamente energéticos provienen de partículas, como electrones y protones. Es más probable que se origine un chorro de estas partículas en un agujero negro que esté acretando materia circundante. El agujero negro puede haberse formado o bien por la fusión de dos estrellas de neutrones o bien por el colapso de una estrella particularmente masiva. Si se escinde una parte de la estrella de neutrones durante el proceso, puede acretar al agujero negro proveyendo materia que será acelerada a altas velocidades. La figura muestra cuándo y dónde, en estos procesos, se espera la emisión de ondas gravitacionales y neutrinos de alta energía.
Crédito: I. Bartos/Basado en arXiv:1212.2289.

Este en un momento emocionante para buscar ondas gravitacionales y neutrinos. Recientemente, el observatorio de neutrinos IceCube situado en las profundidades del hielo del Polo Sur ha conseguido identificar los primeros neutrinos de alta energía de origen cósmico. Este descubrimiento confirma nuestras conjeturas acerca de algunos procesos extremadamente energéticos del universo, abriendo, además, una nueva frontera en la astronomía. En lo que respecta a las ondas gravitacionales, el año que viene entran en funcionamiento los detectores Advanced LIGO y Advanced Virgo, creando una nueva manera de estudiar procesos extremos en el cosmos.

Esta búsqueda se centró en fuentes comunes de estos mensajeros cósmicos tan elusivos: ondas gravitacionales y neutrinos de alta energía. Utilizamos los detectores de ondas gravitacionales situados en Europa y Estados Unidos, LIGO y Virgo, para buscar señales candidatas a ondas gravitacionales, y analizamos los neutrinos de alta energía detectados por IceCube. Estos observatorios son los instrumentos más sensibles jamás construidos para estos propósitos.

Clic para ampliar. Superior izquierda: Renderizado artístico de los módulos ópticos de IceCube (icecube.wisc.edu). Superior derecha: Detector LIGO en Livingstone, LA. Inferior izquierda: Detector Virgo cercano a Pisa, Italia. Inferior derecha: Detector LIGO en Hanford, WA.
Collage realizado por I. Bartos. Créditos de imagen: Laboratorio Caltech/MIT/LIGO; Virgo; IceCube.

Nuestra búsqueda abarcó varios meses de datos conjuntos entre los detectores involucrados, e incluyó prácticamente todas las observaciones de los observatorios LIGO y Virgo coincidentes con aquellas llevadas a cabo por IceCube. La búsqueda incluyó un total de unos 20.000 neutrinos detectados. Se buscaron candidatos de ondas gravitacionales y neutrinos que coincidiesen aparentemente con el tiempo y la dirección del cielo, tal y como se esperaría si provinieran de una fuente común. Nuestra búsqueda no halló ninguna coincidencia, a pesar de que los neutrinos detectados podrían haber sido originados en explosiones cósmicas a una distancia de millones de años luz. La probabilidad de obtener una detección coincidente depende de la frecuencia de las explosiones, así como de las distancias en las que IceCube, LIGO y Virgo son sensibles. Nuestro trabajo nos ha permitido limitar la tasa de procesos cósmicos que producen neutrinos energéticos y emisiones de ondas gravitacionales, pero la sensibilidad de los próximos detectores nos permitirá observar a mucha más distancia.

Como la emisión de ondas gravitacionales y neutrinos de los diferentes tipos de explosiones cósmicas es aún incierta, también pudimos determinar con que certeza nuestra búsqueda puede limitar la tasa de explosiones para un rango de parámetros de emisión. Estos límites se muestran en la figura superior derecha. En su mayor parte, los límites son consistentes con las tasas obtenidas mediante observación usando radiación electromagnética.

Glosario:

Neutrinos: Partículas muy ligeras, eléctricamente neutras, creadas durante reacciones nucleares y decaimiento radioactivo. Algunos procesos astrofísicos, como los BRG, pueden acelerar partículas que decaen a neutrinos de muy alta energía. Estas energías son mucho mayores que las conseguidas en aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.
IceCube: Observatorio de neutrinos en el hielo del Polo Sur. Posee un volumen de un kilómetro cúbico, siendo por tanto uno de los mayores detectores creados.
Brotes de rayos gamma: Explosiones cortas de fotones altamente energéticos llamados rayos gamma. Los brotes de rayos gamma (BRG) normalmente duran menos de diez segundos.
Megaparsec: Unidad de distancia astronómica equivalente aproximadamente a 3 millones de años luz.
Estrella de neutrones: Objetos extremadamente densos que pueden formarse tras el colapso de una estrella masiva. Una estrella de neutrones tan masiva como nuestro Sol tendría el tamaño de la isla de Manhattan.
Agujero negro: Región aproximadamente esférica del espacio de la cual nada, ni la luz, puede escapar, a causa de la atracción gravitatoria hacia el centro de la región.
Colapso del núcleo de una estrella masiva: Las estrellas masivas producen hierro a través de fusión nuclear. El hierro producido se sumerge hacia el centro de la estrella y conforma su núcleo. Una vez se alcanza la masa suficiente, el núcleo de hierro colapsa bajo su propio peso y la presión exterior, provocando el colapso de la estrella completa.

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Figuras de la Publicación

Clic para ampliar. Límites superiores de la tasa de emisión conjunta de ondas gravitacionales y neutrinos de alta energía. La abscisa indica la energía total emitida en forma de ondas gravitacionales, tomando como unidad la cantidad de energía liberada si toda la masa del sol se convirtiese en energía. A pesar de que parece mucha energía, las explosiones cósmicas son capaces de liberar cantidades comparables. La ordenada indica la energía total emitida en forma de neutrinos de alta energía, en un rango comparable al de las ondas gravitacionales. Los límites de la tasa de explosiones obtenidas están indicados por el código de colores en unidades de una explosión en un megaparsec cúbico por año, siendo la distancia de un megaparsec aproximadamente igual a treinta veces el tamaño de la Vía Láctea.

Clic para ampliar. Eficiencia del análisis conjunto de ondas gravitacionales y neutrinos, así como de la búsqueda de ondas gravitacionales, como función de la amplitud de señal de la onda gravitacional medida en los detectores (denotada como hrss) para señales de ondas gravitacionales a una frecuencia cercana a la mayor sensibilidad de los observatorios LIGO y Virgo. Para el análisis conjunto, la eficiencia está calculada suponiendo la detección de un neutrino proveniente de la fuente. Las diferentes curvas corresponden a diferentes ratios de falsa alarma (False Alarm Rates, FAR), los cuales indican con qué frecuencia se obtendría una señal arbitrariamente sin un evento astrofísico que la produjera. El gráfico muestra que para FAR bajos, i.e. señales que son menos susceptibles de ser obtenidas arbitrariamente, la búsqueda conjunta pierde sensibilidad más lentamente que la búsqueda de ondas gravitacionales. El resultado muestra que, tal y como se esperaba, requerir la detección de ondas gravitacionales y neutrinos deja menos margen para falsas detecciones.