Astrofísicos acham que encontraram a misteriosa fonte de neutrinos de alta energia

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Impressão artística de um blazar acelerando neutrinos e raios cósmicos. (Créditos: Benjamin Emenda)

Traduzido por Julio Batista
Original de Michelle Starr para o ScienceAlert

Alguns dos objetos mais brilhantes e energéticos do Universo são a misteriosa fonte de neutrinos cósmicos de alta energia, confirmou uma nova pesquisa.

Uma análise abrangente ligou de forma bastante conclusiva as galáxias que hospedam núcleos ativos e violentos conhecidos como blazares com essas partículas enigmáticas.

É um resultado que fornece uma solução realmente inesperada para um problema que faz os astrofísicos coçarem a cabeça há anos.

“Os resultados fornecem, pela primeira vez, evidências observacionais incontestáveis ​​de que a subamostra de blazares do tipo PeVatron são fontes extragalácticas de neutrinos e, portanto, aceleradores de raios cósmicos”, disse a astrofísica Sara Buson, da Universidade Julius Maximilian de Wurzburgo, na Alemanha.

Neutrinos são coisinhas estranhas para dizer o mínimo. Essas partículas subatômicas são onipresentes e estão entre as mais abundantes do Universo.

No entanto, sua massa é quase zero, eles são eletricamente neutros e interagem muito pouco com qualquer outra coisa no Universo. Para um neutrino, a matéria normal de que consiste a maior parte do Universo poderia ser uma sombra; é por isso que eles são conhecidos como partículas fantasmas.

Sabemos muito bem de onde vêm os neutrinos – neutrinos normais.

Eles são produzidos por decaimento radioativo, o que é bastante comum. A maioria dos neutrinos que detectamos na Terra são subprodutos de reações nucleares no Sol, mas também podem ser produzidos por supernovas, reações nucleares artificiais ou pela interação entre raios cósmicos e átomos, por exemplo.

Mas um observatório especial na Antártida revelou alguns realmente bizarros.

Embora os neutrinos não interajam muito com a matéria normal, de vez em quando eles fazem isso. Quando eles interagem com moléculas em átomos de água, eles podem produzir um pequeno flash de luz.

O Observatório de Neutrinos IceCube tem detectores embutidos nas profundezas do gelo do polo sul antártico que podem detectar esses flashes. Essas detecções podem revelar a energia do neutrino.

Em 2012, o IceCube detectou dois neutrinos que não se pareciam com nada que já tínhamos visto. Suas energias estavam em escalas de petaelectronvolt (PeV) – 100 milhões de vezes mais energéticas que os neutrinos de supernovas. E esses neutrinos de alta energia vieram do espaço intergaláctico, de fonte desconhecida.

Recebemos uma pista sobre essa fonte em 2018. Como os neutrinos não interagem, eles praticamente viajam em linha reta pelo espaço – então uma enorme colaboração internacional de cientistas conseguiu rastrear um neutrino de alta energia até um blazar.

Esse é o núcleo de uma galáxia massiva alimentada por um buraco negro supermassivo ativo, inclinado de modo que jatos de matéria ionizada acelerassem até o ponto próximo à velocidade da luz diretamente na Terra.

“É interessante que havia um consenso geral na comunidade astrofísica de que os blazares provavelmente não seriam fontes de raios cósmicos, e aqui estamos nós”, disse o físico da Universidade de Wisconsin-Madison (EUA) Francis Halzen na época.

Ainda assim, algumas questões permaneceram sobre a associação entre blazares e neutrinos de alta energia. Assim, uma equipe de cientistas liderada por Buson fez o que os cientistas fazem: eles foram vasculhar.

Eles pegaram 7 anos de dados de neutrinos de todo o céu do IceCube e compararam meticulosamente com um catálogo de 3.561 objetos que são blazares confirmados ou altamente prováveis ​​de serem.

Eles realizaram o cruzamento posicional desses catálogos, tentando determinar se os neutrinos de alta energia poderiam estar conclusivamente ligados a locais de blazar no céu.

“Com esses dados, tivemos que provar que os blazares cujas posições direcionais coincidiam com as dos neutrinos não estavam ali por acaso”, explicou o astrofísico Andrea Tramacere, da Universidade de Genebra, na Suíça.

“Depois de rolar os dados várias vezes, descobrimos que a associação aleatória só pode exceder a dos dados reais uma vez em um milhão de tentativas! Isso é uma forte evidência de que nossas associações estão corretas.”

De acordo com a análise da equipe, a probabilidade de ocorrência aleatória é de 0,0000006. Isso sugere que pelo menos alguns blazares são capazes de produzir neutrinos de alta energia, o que, por sua vez, ajuda a resolver outro problema. A origem dos raios cósmicos de alta energia – prótons e núcleos atômicos que fluem pelo espaço a uma velocidade próxima à da luz – também é um grande mistério.

Segundo Buson, os neutrinos de alta energia são produzidos exclusivamente em processos que envolvem a aceleração de raios cósmicos. Isso significa, por inferência, que agora podemos vincular blazares à aceleração de raios cósmicos, disse a equipe.

“O processo de acreção e a rotação do buraco negro levam à formação de jatos relativísticos, onde as partículas são aceleradas e emitem radiação de até mil bilhões de energias da luz visível!”, disse Tramacere.

“A descoberta da conexão entre esses objetos e os raios cósmicos pode ser a ‘pedra de Roseta’ da astrofísica de alta energia.”

A partir daqui, existem vários caminhos que justificam uma exploração mais aprofundada. Uma é tentar descobrir por que alguns blazares são aceleradores de partículas eficientes enquanto outros não. Isso ajudará a equipe a descobrir quais são as características de uma fábrica de neutrinos e onde mais no cosmos podemos encontrá-las.

Além disso, análises mais detalhadas de dados de neutrinos podem produzir mais descobertas sobre os locais de nascimento dessas partículas fantasmagóricas peculiares.

A pesquisa foi publicada no The Astrophysical Journal Letters.