A ilustração de um blazar de um artista como o que se descobriu recentemente está acelerando neutrinos e raios cósmicos a velocidades tremendas. O buraco negro supermassivo no centro do disco de acreção envia um jato estreito de matéria de alta energia para o espaço, perpendicular ao disco.
(Imagem: © DESY, Laboratório de Comunicação Científica)
Os astrônomos rastrearam um neutrino de alta energia até sua fonte cósmica pela primeira vez, resolvendo um mistério de um século no processo.
Os neutrinos são partículas subatômicas quase sem massa que não têm carga elétrica e, portanto, raramente interagem com o ambiente. De fato, trilhões dessas "partículas fantasmas" fluem através do seu corpo despercebidas e desimpedidas a cada segundo.
A maioria desses neutrinos vem do sol. Mas uma pequena porcentagem, que possui energias extremamente altas, disparou para o pescoço da floresta a partir de um espaço muito profundo. A indescritibilidade inerente dos neutrinos impediu os astrônomos de determinar a origem desses errantes cósmicos - até agora. [Rastreando um neutrino até sua fonte: a descoberta em imagens]
Observações do IceCube Neutrino Observatory no Pólo Sul e uma série de outros instrumentos permitiram aos pesquisadores rastrear um neutrino cósmico até um blazar distante, uma enorme galáxia elíptica com um buraco negro supermassivo em rotação rápida no coração.
E tem mais. Os neutrinos cósmicos andam de mãos dadas com os raios cósmicos, partículas carregadas altamente energéticas que atingem nosso planeta continuamente. Portanto, o novo achado define os blazares como aceleradores de pelo menos alguns dos raios cósmicos que se movem mais rapidamente.
Os astrônomos se perguntam sobre isso desde que os raios cósmicos foram descobertos, em 1912. Mas eles foram frustrados pela natureza carregada das partículas, que determina que os raios cósmicos sejam puxados dessa maneira e de vários objetos à medida que se aproximam do espaço. Finalmente, o sucesso veio do uso da jornada linear de uma partícula fantasma de companheiro de viagem.
"Estamos procurando as fontes de raios cósmicos há mais de um século e finalmente encontramos uma", disse Francis Halzen, cientista-chefe do Observatório IceCube Neutrino e professor de física da Universidade de Wisconsin-Madison. com. [Física maluca: as pequenas partículas mais legais da natureza]
Um esforço de equipe
O IceCube, gerenciado pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA (NSF), é um caçador de neutrinos dedicado. A instalação consiste em 86 cabos, que se aninham dentro de furos que se estendem por cerca de 2,5 milhas (2,5 quilômetros) no gelo antártico. Cada cabo, por sua vez, possui 60 "módulos ópticos digitais" do tamanho de uma bola de basquete, equipados com detectores de luz sensíveis.
Esses detectores são projetados para captar a característica luz azul emitida depois que um neutrino interage com um núcleo atômico. (Essa luz é lançada por uma partícula secundária criada pela interação. E caso você esteja se perguntando: todo esse gelo sobrejacente impede que outras partículas além de neutrinos cheguem aos detectores e sujem os dados.) Esses são eventos raros; O IceCube localiza apenas algumas centenas de neutrinos por ano, disse Halzen.
A instalação já fez grandes contribuições para a astronomia. Em 2013, por exemplo, o IceCube fez a primeira detecção confirmada de neutrinos além da Via Láctea. Os pesquisadores não foram capazes de identificar a fonte dessas partículas fantasmas de alta energia na época.
Em 22 de setembro de 2017, no entanto, o IceCube pegou outro neutrino cósmico. Era extremamente energético, fornecendo cerca de 300 teraelétrons-volts - quase 50 vezes maior que a energia dos prótons circulando pelo acelerador de partículas mais poderoso da Terra, o Large Hadron Collider.
Dentro de um minuto após a detecção, a instalação enviou uma notificação automática, alertando outros astrônomos para encontrar e retransmitir coordenadas para o pedaço de céu que parecia abrigar a fonte da partícula.
A comunidade respondeu: quase 20 telescópios no solo e no espaço vasculharam esse trecho através do espectro eletromagnético, desde ondas de rádio de baixa energia até raios gama de alta energia. As observações combinadas traçaram a origem do neutrino a um blazar já conhecido chamado TXS 0506 + 056, que fica a cerca de 4 bilhões de anos-luz da Terra.
Por exemplo, as observações de acompanhamento de vários instrumentos diferentes - incluindo o Telescópio Espacial Fermi de raios gama da NASA, em órbita terrestre, e o Telescópio Cherenkov (MAGIC), principal imagem atmosférica gama - nas Ilhas Canárias - revelaram uma poderosa explosão de luz de raios gama queimando TXS 0506 + 056. [Universo de raios gama: fotos do telescópio espacial Fermi da NASA]
A equipe do IceCube também examinou seus dados de arquivo e encontrou mais de uma dúzia de outros neutrinos cósmicos que pareciam vir do mesmo blazar. Essas partículas adicionais foram captadas pelos detectores do final de 2014 até o início de 2015.
"Todas as peças se encaixam", disse Albrecht Karle, cientista sênior do IceCube e professor de física da UW-Madison, em comunicado. "O surto de neutrinos em nossos dados de arquivo se tornou uma confirmação independente. Juntamente com as observações de outros observatórios, é uma evidência convincente de que este blazar é uma fonte de neutrinos extremamente energéticos e, portanto, raios cósmicos de alta energia".
Os resultados são relatados em dois novos estudos publicados hoje (12 de julho) na revista Science. Você pode encontrá-los aqui e aqui.
Astrofísica multimessenger em ascensão
Os blazares são um tipo especial de galáxia ativa superluminosa que explode jatos gêmeos de luz e partículas, um dos quais é direcionado diretamente para a Terra. (É em parte por isso que os blazares parecem tão brilhantes para nós - porque estamos na linha de tiro a jato.)
Os astrônomos identificaram vários milhares de blazares em todo o universo, nenhum dos quais ainda foi encontrado atirando neutrinos para nós, como o TXS 0506 + 056.
"Há algo de especial nessa fonte, e temos que descobrir o que é", disse Halzen à Space.com.
Essa é apenas uma das muitas questões levantadas pelos novos resultados. Por exemplo, Halzen também gostaria de conhecer o mecanismo de aceleração: como, exatamente, os blazares conseguem neutrinos e raios cósmicos a velocidades tão tremendas?
Halzen expressou otimismo em responder a essas perguntas em um futuro relativamente próximo, citando o poder da "astrofísica multimessenger" - o uso de pelo menos dois tipos diferentes de sinais para interrogar o cosmos - em exibição nos dois novos estudos.
A descoberta de neutrinos segue de perto um outro marco multimessenger: em outubro de 2017, os pesquisadores anunciaram que analisaram uma colisão entre duas estrelas de nêutrons superdensas, observando a radiação eletromagnética e as ondas gravitacionais emitidas durante o evento dramático.
"A era da astrofísica multimessenger chegou", disse a diretora da NSF France Cordova no mesmo comunicado. "Cada mensageiro - da radiação eletromagnética, ondas gravitacionais e agora neutrinos - nos dá uma compreensão mais completa do universo e novas informações importantes sobre os objetos e eventos mais poderosos do céu".
