Search for gravitational waves associated with high-energy neutrinos detected by IceCube during the third observing run of LIGO-Virgo

El relato del detective cósmico: Persiguiendo fantasmas y ondas

Imagine el universo como una gigantesca y caótica sala de conciertos. Durante mucho tiempo, solo pudimos escuchar la música usando nuestros oídos: detectando luz, ondas de radio y rayos X. Pero en 2015, finalmente construimos un nuevo tipo de instrumento que podía "sentir" las vibraciones de la sala misma. Estas son las ondas gravitacionales: ondulaciones en el tejido del espacio y el tiempo causadas por objetos masivos, como agujeros negros o estrellas de neutrones, chocando entre sí. Es como sentir el suelo vibrar cuando se golpea un tambor gigante, incluso si no puedes ver al tamborilero.

Al mismo tiempo, existen otros mensajeros cósmicos llamados neutrinos. Estas son partículas diminutas, similares a fantasmas, que atraviesan el universo casi sin chocar con nada. Se producen en las explosiones más violentas del cosmos, como los estertores de muerte de estrellas masivas. Debido a que son tan difíciles de atrapar, encontrar uno es como localizar un grano de arena específico en una tormenta de arena en el desierto.

Los científicos tienen una gran pregunta: ¿Ocurren estas dos cosas juntas? Cuando una estrella masiva explota o dos estrellas muertas se fusionan, ¿envían tanto un "golpe" gravitacional como un "fantasma" de neutrino de alta energía al mismo tiempo? Si pudiéramos captar ambos de un mismo evento, sería como escuchar el redoble del tambor y ver al tamborilero destellar una luz simultáneamente. Esto confirmaría exactamente qué tipo de violencia cósmica creó la señal. Este artículo trata sobre un equipo de astrónomos que intenta atrapar a estos dos mensajeros en el acto, utilizando los detectores más sensibles del mundo.

La gran caza cósmica

En este estudio, un equipo de investigadores actuó como detectives cósmicos, buscando un tipo específico de escena del crimen: un neutrino de alta energía detectado por el Observatorio IceCube en la Antártida. IceCube es un detector masivo enterrado profundamente en el hielo, esperando a que esos neutrinos fantasmales choquen contra un átomo y creen un destello de luz azul. Cuando IceCube detecta un neutrino prometedor, envía una alerta diciendo: "¡Oye, algo grande pasó por allá!".

El trabajo del equipo consistía en observar los datos de los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo en el momento exacto y desde la dirección exacta de esa alerta de neutrino. Querían ver si los detectores sintieron una ondulación en el espacio-tiempo al mismo tiempo. Piénselo de esta manera: si IceCube escucha un grito proveniente de una casa específica, los detectores de ondas gravitacionales son los vecinos comprobando si sintieron el suelo vibrar en ese mismo instante.

Los investigadores no buscaron simplemente un tipo específico de choque, como la fusión de dos agujeros negros. Utilizaron una búsqueda "genérica", que es como escuchar cualquier ruido extraño, ya sea un estruendo, un estallido o un zumbido peculiar. Examinaron 23 alertas de neutrinos que IceCube envió durante la tercera gran etapa de observación de los detectores (conocida como O3). Revisaron los datos en una ventana de tiempo de 500 segundos antes de la llegada del neutrino hasta 500 segundos después, en caso de que las señales no llegaran exactamente en el mismo milisegundo.

El veredicto: Silencio en la sala cósmica

Tras realizar su sofisticado análisis, el equipo no encontró... nada. O mejor dicho, no encontraron evidencia de una señal de onda gravitacional que fuera más fuerte que el ruido de fondo aleatorio. Es como si hubieran escuchado un grito en una casa, pero al revisar el suelo, este estaba perfectamente quieto.

El artículo descarta explícitamente la idea de que estos eventos de neutrinos específicos fueran causados por los tipos de fusiones o explosiones violentas que producen ondas gravitacionales fuertes dentro de las distancias que ellos podían detectar. No encontraron una "prueba irrefutable". Sin embargo, esto no significa que los neutrinos no fueran reales; simplemente significa que, si fueron causados por una explosión cósmica, esa explosión no emitió una onda gravitacional lo suficientemente fuerte para que nuestros detectores actuales pudieran escucharla, o bien ocurrió demasiado lejos.

Para estar seguros de sus resultados, el equipo realizó simulaciones. Fingieron inyectar señales falsas de ondas gravitacionales en los datos para ver qué tan lejos podía estar una fuente y aun así ser escuchada. Descubrieron que, para una fusión de estrellas de neutrones binarias (dos estrellas muertas chocando), la habrían visto si hubiera ocurrido dentro de unos 30 a 60 millones de años luz (30–60 Mpc). Para un agujero negro tragándose una estrella de neutrones, podrían haberla visto hasta unos 70 a 140 millones de años luz (70–140 Mpc). Para otros tipos de señales más exóticas, su alcance varió desde decenas hasta unos pocos cientos de millones de años luz.

Dado que no encontraron señales dentro de estas distancias, establecieron "límites de exclusión". Esta es una forma elegante de decir: "Estamos un 90% seguros de que, si una fuente como esta existiera dentro de esta distancia, la habríamos visto. Como no la vimos, probablemente no estaba allí".

El equipo también señaló que su búsqueda fue "no modelada", lo que significa que buscaban cualquier forma de onda, no solo el patrón específico de dos estrellas girando en espiral juntas. Esto hace que la búsqueda sea menos sensible que una búsqueda dirigida a eventos conocidos, pero les permite captar señales extrañas e inesperadas. El hecho de que no encontraran nada sugiere que, o bien los neutrinos provenían de fuentes que no generan ondas gravitacionales, o las fuentes estaban simplemente demasiado lejos para que nuestra tecnología actual pudiera sentir las ondulaciones.

¿Qué sigue?

El artículo concluye que, aunque esta caza específica resultó infructuosa, el método funciona y los detectores están mejorando. El equipo señala que, en futuras etapas de observación, podrán analizar diferentes tipos de eventos de neutrinos (llamados alertas de "cascada") que tienen una mayor probabilidad de provenir del espacio profundo. También mencionan que pronto estará disponible un nuevo catálogo de alertas con una mejor determinación de la dirección, lo que les ayudará a dirigir su búsqueda con mayor precisión.

Por ahora, la sala cósmica permanece silenciosa respecto a estos neutrinos específicos. Pero la búsqueda continúa, y con cada nueva etapa de los detectores, el equipo escucha un poco más de cerca, con la esperanza de capturar algún día ese perfecto y simultáneo grito y sacudida desde el borde del universo.