neutrino de alta energía

En un tanque con tres toneladas de xenón líquido, escondido en las profundidades de la tierra, algo se movió una vez. No fue el propio xenón, sino uno de sus núcleos atómicos: recibió un empujón con una energía de 248 mil electronvoltios y retrocedió como una bola de billar golpeada por una bola invisible.

Una partícula con una energía de $$10^{18}$$ eV que impacta la atmósfera terrestre es como si una pelota de tenis que viaja a 200 km/h chocara contra una pared. De dónde provienen tales proyectiles es un debate que los astrofísicos han sostenido durante décadas.

El púlsar PSR J1740+1000 es una estrella del tamaño de una ciudad que gira más rápido que una batidora de cocina. Tras la explosión de una supernova, quedó un núcleo denso que acelera partículas hasta velocidades cercanas a la de la luz.

En la lejana galaxia del Cigarro hay un faro insólito. No brilla en el sentido habitual: sus rayos nacen en una nube ardiente alrededor de un agujero negro que devora la materia de una estrella compañera. Estos objetos se denominan fuentes ultraluminosas de rayos X. Su fulgor en rayos X es tan intenso que eclipsa a galaxias enteras.

En las profundidades del hielo del Polo Sur, a casi dos kilómetros y medio de profundidad, funciona un telescopio poco común. No apunta al cielo, sino a través de la Tierra. Su objetivo son los neutrinos, partículas casi imposibles de detectar que atraviesan planetas y estrellas de lado a lado sin interactuar con nada.

Una bola de billar choca contra otra en la más absoluta oscuridad. El sonido del impacto y el golpe de las bolas al caer en la tronera es todo lo que se oye. Así, más o menos, estudian los físicos las interacciones entre partículas elementales a energías que ningún acelerador terrestre puede reproducir.

En las profundidades de una estrella de neutrones, la materia está tan comprimida que los protones y neutrones habituales dejan paso a nuevos actores. Allí nacen los hiperones, partículas que contienen un quark extraño.

Cuando dos estrellas de neutrones — los núcleos superdensos de astros muertos — colisionan, nace una kilonova: una explosión mil veces más brillante que una nova ordinaria. Es un auténtico taller de fundición del Universo.

En 2017, el telescopio de neutrinos antártico IceCube detectó una partícula con una energía de unos 290 TeV proveniente de las profundidades del cosmos.

En el corazón de la Galaxia, a unos 7 mil pársecs de distancia, se esconde un verdadero acelerador natural. Es una estrella de neutrones con una rotación frenética — el púlsar PSR J1849-0001, remanente de la explosión de una supernova.

Una piedra cae en un estanque y ondas se expanden por el agua. Así también la luz de galaxias lejanas se dispersa en todas direcciones — con calma y mesura. Pero en el centro de algunas galaxias no se esconde una piedra, sino un verdadero cañón: dispara partículas con una fuerza colosal. Los astrónomos llaman a estos objetos HSP BL Lac.

Dos estrellas de neutrones —restos de astros muertos, comprimidos hasta el tamaño de una ciudad pero con el peso de todo un Sol— giran una alrededor de la otra y finalmente colisionan. En ese instante nace algo intermedio entre un agujero negro y un imán ultrapotente: un campo miles de millones de veces más fuerte que el del más potente escáner de resonancia magnética.

En las profundidades del mar Mediterráneo, donde el agua presiona con la fuerza de cientos de atmósferas, una red de esferas sensibles a la luz esperaba a un visitante poco común. Y llegó: un neutrino que atravesó la Tierra con una energía comparable al impacto de un ladrillo en vuelo.

Los neutrinos son partículas casi esquivas: atraviesan planetas sin percatarse de los átomos. Por eso cada captura es un golpe de suerte. Hace poco, el detector submarino KM3NeT atrapó un neutrino con una energía millones de veces mayor que la que producen los aceleradores más potentes de la Tierra.

Un potente reflector ilumina una niebla espesa. El haz en sí no se ve, pero la niebla comienza a brillar débilmente, delatando la presencia del reflector.

Las estrellas masivas terminan su vida con una explosión colosal, que Fritz Zwicky llamó supernova. En ese momento, el núcleo se comprime en un agujero negro o una estrella de neutrones.

Una colisión a gran velocidad arrancó un neutrón del núcleo de helio-8, y por un instante se formó un núcleo de helio-7, como una estantería sobrecargada de la que caen tres libros a la vez. Este efímero «sonido» de la desintegración se ha podido registrar por primera vez: tres neutrones salieron disparados, dejando tras de sí un núcleo ordinario de helio-4.

Un destello láser golpea un cristal de óxido de cobre y, como ondas en el agua, se propagan ondas de excitación magnética: los magnones.

El cielo nocturno está lleno de faros, pero algunos brillan de tal manera que casi no se ven. Los astrónomos han descubierto una nueva clase de objetos: las fuentes de rayos X hiperblandas. Son tan «frías» para los estándares de los rayos X que su emisión cae en la frontera entre el ultravioleta y los rayos X blandos, donde los telescopios convencionales son casi ciegos.

El neutrón es la partícula que compone principalmente las estrellas de neutrones. Por sí solo es inestable: un neutrón libre vive unos quince minutos y luego se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino. Pero en dos tipos diferentes de experimentos, la vida media resulta distinta: en un haz de partículas, los neutrones viven un poco más que en una trampa.

En el centro de la galaxia NGC 4278 hay un agujero negro que expulsa dos chorros de plasma, como un cañón gigante que dispara partículas al espacio. Estos chorros aceleran partículas hasta energías que ningún acelerador terrestre podría soñar.

En el sistema binario Cyg X-2, la estrella de neutrones atrae materia de una estrella compañera normal. El gas que cae se arremolina, se calienta a millones de grados y brilla intensamente en rayos X. Los astrónomos apuntaron dos telescopios espaciales, IXPE y NuSTAR, a este objeto y por primera vez midieron en detalle cómo está polarizada esa luz.

Los neutrinos cósmicos son partículas fantasma que atraviesan la Tierra sin obstáculos. El telescopio IceCube, incrustado en el hielo de la Antártida, captó uno de estos neutrinos, que coincidió con un destello infrarrojo.

Un nuevo estudio confirmó: las ondas de choque en el plasma alrededor de agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias funcionan como olas oceánicas que empujan a los protones a velocidades cercanas a la luz. Incluso una onda débil les cede una décima parte de su energía, como si una suave resaca lanzara a un surfista al espacio.

En las profundidades de las estrellas, los núcleos ligeros se fusionan, dando lugar a helio y flujos de neutrones. En la Tierra, este proceso se reproduce combinando deuterio y tritio, isótopos especiales de hidrógeno.

Cuando una estrella masiva agota su combustible termonuclear, su núcleo colapsa y las capas externas son expulsadas al espacio a velocidades de miles de kilómetros por segundo. Así nace un resto de supernova: una nube en expansión de gas comprimido por ondas de choque que se extiende a lo largo de años luz.

En 1181, astrónomos chinos y japoneses registraron la aparición de una 'estrella invitada': un astro brillante que brilló durante seis meses en la constelación de Casiopea y luego desapareció. Hoy, en ese lugar se encuentra Pa 30: una nebulosa con una fuente central caliente que expulsa materia a 16 000 km/s.