Cuando los agujeros negros chocan producen neutrinos

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Desde que los astrónomos detectaron por primera vez neutrinos de ultra alta energía provenientes de direcciones aleatorias en el espacio, no han podido descubrir qué los genera. Pero una nueva hipótesis sugiere una fuente poco probable: las fusiones de agujeros negros.

Los neutrinos son partículas extremadamente fantasmales. No llevan carga eléctrica y rara vez interactúan con la materia normal a través de la fuerza nuclear débil. Trillones de neutrinos pasan a través de cada centímetro cuadrado de tu cuerpo cada segundo. Por lo tanto, se necesitan observatorios realmente enormes para capturarlos. El más grande de todos es el Observatorio de Neutrinos IceCube, que es una serie de detectores hundidos en la capa de hielo de la Antártida en el Polo Sur. Ocasionalmente, un neutrino golpeará una molécula de hielo de agua y dará lugar a un destello de luz que el observatorio puede detectar.

Imagen fija de una simulación numérica de una fusión de agujeros negros binarios de masa desigual, con parámetros consistentes con GW190412. [Crédito de la imagen: N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Instituto Max Planck de Física Gravitacional), proyecto Simulating eXtreme Spacetimes]

Si bien IceCube ha visto innumerables eventos a lo largo de los años, algunos se destacan. Algunos neutrinos son extremadamente energéticos, tan energéticos que es difícil encontrar escenarios plausibles que puedan generarlos.

En el otro extremo del espectro, quizás los objetos más poderosos del universo sean los agujeros negros. Su intensa gravedad puede destrozar estrellas e incluso impulsar la formación de chorros que pueden lanzar decenas de miles de años luz al espacio.

Entonces, una nueva investigación sugiere que los agujeros negros pueden ser responsables de los neutrinos de mayor energía. Sin embargo, esto no puede funcionar con agujeros negros de forma aislada. En cambio, los agujeros negros deben estar rodeados por un plasma cargado eléctricamente. Ese plasma se arremolinará alrededor del agujero negro formando un disco de acreción. Los campos magnéticos y eléctricos increíblemente fuertes en el disco de acreción pueden abrirse camino alrededor del agujero negro y enviar material que fluye hacia afuera en forma de chorro.

Cuando dos agujeros negros se fusionan, esto cambia la dirección del chorro y, ocasionalmente, los chorros pueden recibir un impulso de la energía gravitacional liberada por la fusión.

Los autores del nuevo estudio sugieren que, si las condiciones son las adecuadas, la mejora del chorro durante una fusión puede impulsar neutrinos increíblemente energéticos.

Para igualar el número observado de neutrinos de alta energía que ha detectado IceCube, los autores sugieren que estos agujeros negros no tienen que fusionarse con tanta frecuencia. Si los neutrinos están alimentados por fusiones de agujeros negros supermasivos, solo necesitan colisionar entre cada 100.000 y 10 millones de años en cada gigaparsec cúbico de volumen. Si, en

 cambio, los neutrinos están alimentados por fusiones de agujeros negros de masa estelar, entonces solo necesitan ocurrir de 10 a 100 veces al año en cada gigaparsec cúbi de volumen.

Los autores del nuevo estudio sugieren que, si las condiciones son las adecuadas, la mejora del chorro durante una fusión puede impulsar neutrinos increíblemente energéticos.

Para igualar el número observado de neutrinos de alta energía que ha detectado IceCube, los autores sugieren que estos agujeros negros no tienen que fusionarse con tanta frecuencia. Si los neutrinos están alimentados por fusiones de agujeros negros supermasivos, solo necesitan colisionar entre cada 100.000 y 10 millones de años en cada gigaparsec cúbico de volumen. Si, en cambio, los neutrinos están alimentados por fusiones de agujeros negros de masa estelar, entonces solo necesitan ocurrir de 10 a 100 veces al año en cada gigaparsec cúbico de volumen.

Estos son números prometedores porque los resultados se ubican dentro del rango esperado de tasas de fusión de agujeros negros de masa estelar y agujeros negros supermasivos. Entonces, a medida que avanzan los mecanismos, es plausible. Solo más observaciones podrán decirlo y, con suerte, los astrónomos podrán identificar una fuente de estas partículas exóticas extremadamente energéticas.