La búsqueda de una partícula fantasma apunta a una galaxia lejana llamada “Shadow Blaster”

Los neutrinos son una de las partículas fundamentales del Universo. Tienen una naturaleza casi fantasmal: no poseen carga eléctrica, tienen una masa muy pequeña y apenas interactúan con la materia. También son las partículas con masa más abundantes del Universo, y pueden producirse mediante diversos procesos, como la desintegración de partículas pesadas, las reacciones nucleares en el Sol y las explosiones estelares.

Los instrumentos en la Tierra detectan neutrinos de alta energía procedentes del espacio desde la década de 1960, pero identificar su origen sigue siendo uno de los grandes desafíos de la astronomía. Aunque los científicos han identificado un pequeño número de fuentes cercanas de neutrinos [1], estas no pueden explicar la cantidad total de neutrinos que nuestros instrumentos registran procedentes de todo el Universo, conocida como fondo cósmico de neutrinos. Por ello, los astrónomos sospechan que existen otras poblaciones importantes de fuentes que aún permanecen ocultas.

En un estudio publicado hoy en la revista Nature Astronomy, un equipo liderado por Yuji Urata, de MITOS Science Co., LTD. en Taiwán, presenta el análisis de una nueva candidata a fuente de neutrinos: una galaxia extremadamente brillante, JCMT0402−0424, apodada “Shadow Blaster”. Esta galaxia se encuentra a unos 11.000 millones de años luz de distancia, tiene una luminosidad en el infrarrojo miles de millones de veces superior a la del Sol y podría proporcionar el vínculo tan buscado entre la producción de neutrinos de alta energía y las galaxias lejanas en formación estelar.

El descubrimiento fue posible en parte gracias a las observaciones del telescopio Gemini Norte, que forma parte del Observatorio Internacional Gemini, financiado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF) y operado por NOIRLab de NSF. El estudio también utilizó observaciones del Telescopio James Clerk Maxwell (JCMT), operado por el Observatorio de Asia Oriental, y del Submillimeter Array (SMA), una operación conjunta entre el Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian y el Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sinica. Estos tres telescopios se encuentran en la cima de Maunakea, en Hawai‘i.

En 2021, el Observatorio de Neutrinos IceCube de NSF, ubicado en la Antártica, alertó a la comunidad científica sobre un evento de neutrinos de alta energía denominado IC 210922A, procedente de una región del espacio en dirección a la constelación de Erídano. Esta alerta desencadenó rápidas observaciones de seguimiento en distintas longitudes de onda para buscar una señal asociada que, de detectarse, pudiera ayudar a identificar la fuente del neutrino.

Así, varios equipos de científicos realizaron observaciones de seguimiento con distintos telescopios e instrumentos. Sin embargo, ninguno detectó una contraparte convincente en rayos gamma, rayos X o luz visible, ni tampoco un estallido de rayos gamma, una supernova o evento de disrupción de marea que pudiera asociarse con la alerta [2].

Dos días después de la alerta inicial, Urata y su equipo iniciaron observaciones con el JCMT y el SMA y descubrieron a Shadow Blaster, cuya posición y brillo lo convertían en una candidata prometedora para explicar la fuente de la señal. Para investigar esta galaxia con mayor detalle, el equipo organizó observaciones de seguimiento con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), administrado en Norteamérica por el Observatorio Nacional de Radioastronomía de NSF, y descubrió que Shadow Blaster se encuentra detrás de un potente lente gravitatorio [3].

Gracias a este efecto de lente, el equipo pudo estudiar la estructura interna de Shadow Blaster, que de otro modo estaría demasiado lejos y sería demasiado tenue para observarla con ese nivel de detalle. Sin embargo, para utilizar correctamente el efecto de lente y determinar cuánto amplificaba la señal de neutrinos, primero necesitaban conocer la distancia, la naturaleza y la distribución de masa de la galaxia que estaba en primer plano. Para descifrar estos detalles, utilizaron dos potentes instrumentos de Gemini Norte: el Espectrógrafo Multiobjetos de Gemini (GMOS) y el Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano de Gemini (GNIRS).

“Los datos combinados de GMOS y GNIRS nos ayudaron a medir la distancia a la galaxia vista con lente gravitatoria y a determinar que se trata de una galaxia elíptica masiva. Esta información fue crucial para estimar la distribución de masa del lente y construir un modelo de lente gravitatorio”, explica Urata.

Al combinar este modelo con los datos de las imágenes obtenidas por ALMA, se descubrió que la región central de Shadow Blaster alberga un núcleo extremadamente compacto y densamente repleto de gas y polvo, donde se forman nuevas estrellas a un ritmo extraordinario. Los modelos teóricos predicen que un entorno tan extremo puede actuar como un acelerador natural de partículas, donde las partículas energéticas chocan repetidamente con el gas y producen neutrinos. Además, Shadow Blaster no muestra indicios de albergar un agujero negro activo, lo que sugiere claramente que los neutrinos de alta energía pueden producirse no solo en los espectaculares chorros asociados a agujeros negros observados en galaxias cercanas, sino también en regiones de formación estelar intensa y densa, comunes en galaxias muy lejanas.

“Este avance demuestra cómo los detectores de partículas y los telescopios tienen un impacto mucho mayor cuando trabajan juntos, abriendo una poderosa ventana ‘multimensajera’ al Universo”, afirma Martin Still, Director de Programas de la Oficina de Infraestructura de Investigación de NSF. “Al combinar las señales de partículas y luz, los científicos pueden explorar entornos y eventos cósmicos distantes con un detalle sin precedentes y revelar fenómenos que antes existían sólo en los modelos teóricos”.

Hace unos 10.000 millones de años, el Universo estaba poblado de galaxias como Shadow Blaster, que formaban estrellas a un ritmo intenso. Durante esa época, las galaxias producían teóricamente grandes cantidades de rayos cósmicos, corrientes de partículas de alta energía capaces de generar neutrinos. Sin embargo, obtener pruebas observacionales que vinculen un evento de neutrinos específico con una galaxia tan distante ha sido extremadamente difícil, ya que estos objetos suelen encontrarse muy lejos y ocultos tras densas capas de polvo. La afortunada ubicación de Shadow Blaster detrás de un lente gravitatorio ha hecho mucho más accesible encontrar esta evidencia observacional.

“Shadow Blaster posee el tipo de entorno denso y rico en gas que, según sugieren desde hace tiempo los modelos teóricos, podría producir neutrinos de alta energía de manera eficiente”, señala Urata. Sumado a la ausencia de cualquier otra contraparte más convincente, pese a las exhaustivas observaciones de seguimiento, Shadow Blaster es la candidata más plausible para ser la fuente de IC 210922A. “Si se confirma, Shadow Blaster sería la primera galaxia polvorienta en formación estelar vinculada directamente a un evento de neutrinos de alta energía”.

Las galaxias compactas en formación estelar como Shadow Blaster podrían ser abundantes en todo el Universo. Como población, podrían contribuir de forma significativa al fondo de neutrinos de alta energía que llena el cosmos. “Nuestro análisis sugiere que esta población podría aportar hasta aproximadamente un 20% del fondo difuso de neutrinos observado y medido por IceCube”, concluye Urata.

Notas

[1] Entre las fuentes astrofísicas de neutrinos, o las posibles asociaciones con fuentes astrofísicas, que se han identificado se encuentran el Sol y la supernova 1987A a energías más bajas, y, a energías altas, el blazar TXS 0506+056, la galaxia activa Messier 77, la galaxia activa PKS 1424+240 y la emisión difusa del plano de la Vía Láctea. También se han propuesto posibles asociaciones a alta energía con eventos de disrupción de marea, como AT2019dsg y AT2019fdr.

[2] Instalaciones utilizadas para las observaciones de seguimiento: el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA, el telescopio de neutrinos ANTARES, el Observatorio Neil Gehrels Swift de la NASA, la Instalación Zwicky para la detección de Transitorios, el Observatorio de Cherenkov de Agua a Gran Altitud y el estudio DESI Transients Survey, financiado por el Departamento de Energía. En particular, las “fibras de repuesto” de DESI —fibras que no pueden asignarse a objetivos del programa principal de DESI durante una observación determinada— obtuvieron espectros de 249 galaxias dentro de la región de localización del evento detectado por IceCube.

[3] Un lente gravitatorio se produce cuando una galaxia muy masiva situada en primer plano curva el espacio-tiempo y actúa como una lupa cósmica, ampliando y distorsionando la imagen de una galaxia más lejana ubicada detrás de ella. En este caso, el lente gravitatorio amplificó el brillo de Shadow Blaster de 2,7 billones a 33 billones de veces la luminosidad infrarroja del Sol.

Más Información

Esta investigación se presentó en un artículo de investigación “Compact dusty starbursts at cosmic noon linked to high-energy neutrinos” publicado en la revista Nature Astronomy. DOI: 10.1038/s41550-026-02884-9.

El equipo de investigación está compuesto por Y. Urata (MITOS Science Co., LTD/National Central University, Taiwan), K. Huang (Chung Yuan Christian University, Taiwan), B. Hatsukade (National Astronomical Observatory of Japan/The Graduate University for Advanced Studies/The University of Tokyo, Japan), M. Kasliwal (California Institute of Technology, USA), S. S. Kimura (Tohoku University, Japan), Y. Matsuda (National Astronomical Observatory of Japan/Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, Japan), Y. Miyamoto (Fukui University of Technology, Japan), H. Nagai (National Astronomical Observatory of Japan/The Graduate University for Advanced Studies, Japan), K. Nakanishi (National Astronomical Observatory of Japan/The Graduate University for Advanced Studies, Japan) y R. Stein (University of Maryland/NASA Goddard Space Flight Center, USA).

NOIRLab de NSF, el centro de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos para la astronomía óptica-infrarroja terrestre, opera el Observatorio Internacional Gemini (una instalación de NSF, NRC-Canadá, ANID-Chile, MCTIC-Brasil, MINCyT-Argentina, y KASI-República de Corea), el Observatorio Nacional Kitt Peak de NSF (KPNO), el Observatorio Interamericano Cerro Tololo de NSF (CTIO), el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC), y el Observatorio Vera C. Rubin de NSF-DOE (en cooperación con el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del DOE). Es administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con NSF y tiene su sede central en Tucson, Arizona.

La comunidad científica está honrada por tener la oportunidad de realizar investigaciones astronómicas en I’oligam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, en Maunakea en Hawaiʻi, y en Cerro Tololo y Cerro Pachón, en Chile. Reconocemos y apreciamos el importante rol cultural y el valor que I’oligam Du’ag tiene para la Nación Tohono O'odham, y el que Maunakea tiene para la comunidad Kanaka Maoli (hawaianos nativos).

El Telescopio James Clerk Maxwell es operado por el Observatorio de Asia Oriental, que cuenta con el financiamiento del Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sinica (ASIAA, Taiwán), el Instituto Nacional de Investigación Astronómica de Tailandia (NARIT), el Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas (STFC, Reino Unido), entre otros socios.

Este comunicado de prensa fue traducido por Carolina Vargas.

Enlaces

• Lee el artículo científico: Compact dusty starbursts at cosmic noon linked to high-energy neutrinos
• Comunicado de prensa de ALMA
• Comunicado de prensa de MITOS Science
• Fotos del telescipio Gemini Norte
• Videos del telescopio Gemini Norte
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