Durante más de cinco años, los investigadores han estado recibiendo unas anómalas señales de radio emitidas bajo el hielo antártico que desafiaban toda explicación. Ahora, el equipo de científicos que opera el Askaryan Radio Array (ARA) ha publicado en Physical Review Letters la primera confirmación experimental de radiación de Askaryan en el hielo antártico, un fenómeno predicho hace más de seis décadas.
La historia comienza en los primeros años sesenta, cuando el físico Gurgen Askaryan propuso que las partículas de alta energía, al atravesar materiales densos, generarían ondas de radio. El mecanismo es una cascada de partículas cósmicas que chocan contra los átomos del medio, provocando una lluvia secundaria de partículas que barre los electrones libres del entorno. El resultado es una acumulación de carga negativa en movimiento, y esa carga negativa emite unas señales de radio que se conocen como radiación de Askaryan.
su existencia se había confirmado en laboratorio y en el aire, pero nadie había logrado detectarla en medios naturales como el hielo polar. La Antártida ofrece las condiciones teóricas ideales, pero el ruido electromagnético de fondo resulta suficientemente abundante como para ocultar cualquier señal débil.
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Cómo lo han conseguido?
El ARA opera con varias estaciones en la Antártida, cada una equipada con antenas de radio instaladas a profundidades de hasta 200 metros bajo el hielo. Es, en esencia, un telescopio de radio enterrado en el continente más frío del planeta.
Durante más de 200 días de observación en 2019, los instrumentos registraron más de una docena de eventos con señales de radio que no encajaban con ninguna fuente conocida. Los investigadores descartaron ruido de fondo térmico, comunicaciones de la cercana estación Amundsen-Scott y hasta emisiones de aeronaves que sobrevolaban la zona. Ninguna de esas hipótesis sobrevivió al análisis.
ANITA es un instrumento que rastrea las ondas de radio procedentes de los rayos cósmicos. (Stephanie Wissel - Penn State)
La clave del nuevo descubrimiento estaba en los detalles físicos de las señales. "La tasa de eventos observada, las direcciones de llegada de la radiación, la forma de la señal, el contenido espectral y la polarización del campo eléctrico son consistentes con la radiación de Askaryan en hielo procedente de los núcleos de lluvias aéreas de rayos cósmicos que impactan en la capa de hielo", escriben los autores en su estudio.
Qué son esas señales de radio
Lo que ocurre físicamente con la radiación de Askaryan es que los rayos cósmicos, partículas de altísima energía que viajan por el espacio, penetran en la capa superior del hielo antártico y se propagan hacia abajo, generando esas cascadas de partículas cargadas negativamente que producen las emisiones de radio. Una especie de fuego artificial subterráneo, invisible al ojo humano, pero perfectamente detectable para las antenas del ARA.
El ARA no fue diseñado para cazar rayos cósmicos, sino para detectar neutrinos cósmicos, partículas subatómicas de alta energía extraordinariamente difíciles de capturar y que podrían revelar los mecanismos de los eventos más violentos del universo.
La diferencia clave es que los neutrinos penetran mucho más profundo en el hielo antes de interactuar con él. Mientras que las cascadas de rayos cósmicos ocurren cerca de la superficie y sus señales llegan a las antenas en un ángulo casi horizontal, las cascadas generadas por neutrinos ocurren a mucha mayor profundidad y producen señales que llegan en un ángulo mucho más pronunciado, casi vertical. Esa diferencia geométrica es exactamente lo que permitirá al ARA distinguir unos eventos de otros en el futuro.
Según el equipo, en los próximos años el ARA debería detectar más de una docena de eventos similares atribuibles a neutrinos. Si eso ocurre, los astrofísicos tendrán por fin una herramienta fiable para rastrear el origen de algunas de las explosiones más violentas del universo —supernovas, agujeros negros activos, fusiones de estrellas de neutrones— a través de las únicas partículas que viajan desde esas fuentes hasta aquí sin desviarse ni absorberse por el camino.