La pistola humeante: después de que el agujero negro supermasivo desgarró la estrella, aproximadamente la mitad de los escombros de la estrella fueron arrojados al espacio, mientras que el resto formó un disco de acreción brillante alrededor del agujero negro. El sistema brilló intensamente a través de muchas longitudes de onda y se cree que produjo flujos de salida energéticos en forma de chorro perpendiculares al disco de acreción. Un motor central y potente cerca del disco de acreción arrojó estas rápidas partículas subatómicas. Crédito: DESY, Laboratorio de Comunicación Científica

Tras rastrear una partícula fantasmal hasta una estrella destrozada, los científicos han descubierto un gigantesco acelerador de partículas cósmicas. La partícula subatómica, llamada neutrino, fue lanzada hacia la Tierra después de que la estrella condenada se acercó demasiado al agujero negro supermasivo en el centro de su galaxia de origen y fue destrozada por la gravedad colosal del agujero negro. Es la primera partícula que se puede rastrear hasta un 'evento de interrupción de las mareas' (TDE) y proporciona evidencia de que estas catástrofes cósmicas poco entendidas pueden ser poderosos aceleradores de partículas naturales, como informa el equipo dirigido por el científico de DESY, Robert Stein, en la revista. Astronomía de la naturaleza. Las observaciones también demuestran el poder de explorar el cosmos a través de una combinación de diferentes 'mensajeros' como los fotones (las partículas de luz) y los neutrinos, también conocida como astronomía de múltiples mensajeros.

El neutrino comenzó su viaje hace unos 700 millones de años, cuando se desarrollaron los primeros animales en la Tierra. Ese es el tiempo de viaje que la partícula necesitaba para llegar desde la lejana galaxia sin nombre (catalogada como 2MASX J20570298+1412165) en la constelación Delphinus (El Delfín) a la Tierra. Los científicos estiman que el enorme agujero negro tiene la masa de 30 millones de soles. "La fuerza de la gravedad se hace cada vez más fuerte cuanto más te acercas a algo. Eso significa que la gravedad del agujero negro tira del lado cercano de la estrella con más fuerza que del lado lejano de la estrella, lo que produce un efecto de estiramiento", explica Stein. "Esta diferencia se llama fuerza de marea y, a medida que la estrella se acerca, este estiramiento se vuelve más extremo. Con el tiempo, destroza la estrella y lo llamamos un evento de interrupción de las mareas. Es el mismo proceso que conduce a las mareas oceánicas en la Tierra, pero afortunadamente para nosotros, la luna no tira lo suficientemente fuerte como para destrozar la Tierra".

Aproximadamente la mitad de los escombros de la estrella se arrojaron al espacio, mientras que la otra mitad se colocó en un disco giratorio alrededor del agujero negro. Este disco de acreción es algo similar al vórtice de agua sobre el desagüe de una bañera. Antes de hundirse en el olvido, la materia del disco de acreción se calienta más y más y brilla intensamente. Este resplandor fue detectado por primera vez por Zwicky Transient Facility (ZTF) en Mount Palomar en California el 9 de abril de 2019.

Medio año después, el 1 de octubre de 2019, el detector de neutrinos IceCube en el Polo Sur registró un neutrino extremadamente energético desde la dirección del evento de interrupción de las mareas. "Se estrelló contra el hielo de la Antártida con una energía notable de más de 100 teraelectronvoltios", dice la coautora Anna Franckowiak de DESY, que ahora es profesora en la Universidad de Bochum. "A modo de comparación, eso es al menos diez veces la energía máxima de partículas que se puede lograr en el acelerador de partículas más poderoso del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones en el laboratorio europeo de física de partículas CERN cerca de Ginebra".

Extremadamente ligero

Los neutrinos extremadamente livianos apenas interactúan con nada, y pueden pasar desapercibidos no solo a través de paredes sino también de planetas o estrellas enteros, y por lo tanto, a menudo se los denomina partículas fantasma. Por lo tanto, incluso capturar un solo neutrino de alta energía ya es una observación notable. El análisis mostró que este neutrino en particular tenía solo una probabilidad entre 500 de ser pura coincidencia con el TDE. La detección provocó más observaciones del evento con muchos instrumentos en todo el espectro electromagnético, desde ondas de radio hasta rayos X.

"Este es el primer neutrino vinculado a un evento de interrupción de las mareas, y nos aporta pruebas valiosas", explica Stein. "Los eventos de interrupción de las mareas no se comprenden bien. La detección del neutrino apunta a la existencia de un potente motor central cerca del disco de acreción, que arroja partículas rápidas. Y el análisis combinado de datos de telescopios de radio, ópticos y ultravioleta nos brinda información adicional evidencia de que el TDE actúa como un gigantesco acelerador de partículas".

Corazón de la oscuridad: una vista del disco de acreción alrededor del agujero negro supermasivo, con estructuras en forma de chorro que se alejan del disco. La masa extrema del agujero negro dobla el espacio-tiempo, permitiendo que el lado más alejado del disco de acreción se vea como una imagen por encima y por debajo del agujero negro. Crédito: DESY, Laboratorio de Comunicación Científica

Las observaciones se explican mejor por una salida energética de chorros rápidos de materia que salen disparados del sistema, que son producidos por el motor central y que duran cientos de días. Esto es también lo que se necesita para explicar los datos de observación, como lo han demostrado Walter Winter, jefe del grupo teórico de física de astropartículas en DESY, y su colega teórica Cecilia Lunardini de la Universidad Estatal de Arizona, en un modelo teórico publicado en el mismo número de Nature. Astronomía. "El neutrino emergió relativamente tarde, medio año después de que comenzara la fiesta estelar. Nuestro modelo explica este momento de forma natural", dice Winter.

El acelerador cósmico arroja diferentes tipos de partículas, pero además de los neutrinos y fotones, estas partículas están cargadas eléctricamente y, por lo tanto, son desviadas por campos magnéticos intergalácticos en su viaje. Solo los neutrinos eléctricamente neutros pueden viajar en línea recta como la luz desde la fuente hacia la Tierra y, por lo tanto, convertirse en valiosos mensajeros de tales sistemas.

"Las observaciones combinadas demuestran el poder de la astronomía de múltiples mensajeros", dice el coautor Marek Kowalski, director de astronomía de neutrinos en DESY y profesor de la Universidad Humboldt en Berlín. "Sin la detección del evento de interrupción de las mareas, el neutrino sería solo uno de muchos. Y sin el neutrino, la observación del evento de interrupción de las mareas sería solo una de muchas. Solo a través de la combinación podríamos encontrar el acelerador y aprender algo nuevo sobre los procesos internos ". La asociación del neutrino de alta energía y el evento de interrupción de las mareas se encontró mediante un sofisticado paquete de software llamado AMPEL, desarrollado específicamente en DESY para buscar correlaciones entre los neutrinos IceCube y los objetos astrofísicos detectados por la instalación transitoria de Zwicky.

¿La punta del iceberg?

La instalación transitoria de Zwicky fue diseñada para capturar cientos de miles de estrellas y galaxias en una sola toma y puede inspeccionar el cielo nocturno particularmente rápido. En su corazón se encuentra el telescopio Samuel-Oschin de 1,3 m de diámetro. Gracias a su gran campo de visión, ZTF puede escanear todo el cielo durante tres noches, encontrando más objetos variables y transitorios que cualquier otro estudio óptico anterior. "Desde nuestro inicio en 2018, hemos detectado más de 30 eventos de interrupción de las mareas hasta ahora, más del doble de la cantidad conocida de tales objetos", dice Sjoert van Velzen del Observatorio de Leiden, coautor del estudio. "Cuando nos dimos cuenta de que el segundo TDE más brillante observado por nosotros era la fuente de un neutrino de alta energía registrado por IceCube, nos emocionamos".

"Es posible que solo estemos viendo la punta del iceberg aquí. En el futuro, esperamos encontrar muchas más asociaciones entre los neutrinos de alta energía y sus fuentes", dice Francis Halzen, profesor de la Universidad de Wisconsin-Madison e investigador principal de IceCube, que no participó directamente en el estudio. "Se está construyendo una nueva generación de telescopios que proporcionará una mayor sensibilidad a los TDE y otras posibles fuentes de neutrinos. Aún más esencial es la extensión planificada del detector de neutrinos IceCube, que aumentaría el número de detecciones de neutrinos cósmicos al menos diez veces". Este TDE marca solo la segunda vez que un neutrino cósmico de alta energía puede rastrearse hasta su origen. En 2018, una campaña de múltiples mensajeros presentó una galaxia activa, la blazar TXS 0506+056, como la primera fuente identificada de un neutrino de alta energía, registrada por IceCube en 2017.

Más información: A tidal disruption event coincident with a high-energy neutrino, Nature Astronomy (2021). DOI: 10.1038/s41550-020-01295-8

A concordance scenario for the observed neutrino from a tidal discruption event; Walter Winter and Cecilia Lunardini; Nature Astronomy, 2021, DOI: 10.1038/s41550-021-01305-3

Información sobre la revista: Nature Astronomy

Fuente: Deutsches Elektronen-Synchrotron