Detectamos ‘partículas fantasmas’ saindo do coração de uma galáxia envolta em poeira

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Uma imagem do Telescópio Espacial Hubble do coração brilhante da NGC 1068. (Créditos: NASA/ESA/A. van der Hoeven)

Traduzido por Julio Batista
Original de Michelle Starr para o ScienceAlert

O papel dos buracos negros supermassivos ativos na produção de neutrinos de alta energia de fora da Via Láctea parece ter sido confirmado. Pela segunda vez, físicos rastrearam essas chamadas partículas “fantasmas” até o coração de uma galáxia através do abismo do espaço intergaláctico.

Com essa descoberta, podemos iniciar um censo real em fábricas extragalácticas de neutrinos e usar as propriedades dos neutrinos para entender seus ambientes domésticos.

A galáxia em questão é um objeto bem estudado conhecido como NGC 1068 – também conhecido como Messier 77 ou a Galáxia da Lula – uma bela espiral obstruída localizada a cerca de 47 milhões de anos-luz de distância, perto o suficiente para ser vista com um par de binóculos.

E os cientistas contaram dezenas de neutrinos na faixa de alta energia em tera elétrons-volt (TeV) vindo de sua direção.

Anteriormente, o único neutrino de alta energia era uma única partícula de TeV rastreada até uma fonte extragaláctica que foi rastreada até um tipo de galáxia conhecida como blazar chamada TXS 0506+056, a cerca de 3,8 bilhões de anos-luz de distância.

Isso torna a nova coleção de dados, obtida ao longo de um período de 10 anos pelo Observatório de Neutrinos IceCube, um tesouro absoluto.

“Um neutrino pode identificar uma fonte. Mas apenas uma observação com vários neutrinos revelará o núcleo obscuro dos objetos cósmicos mais energéticos”, disse o físico Francis Halzen da Universidade de Wisconsin-Madison (EUA) e investigador principal do IceCube.

“O IceCube acumulou cerca de 80 neutrinos de energia em tera elétrons-volt da NGC 1068, que ainda não são suficientes para responder a todas as nossas perguntas, mas definitivamente são o próximo grande passo para a realização da astronomia de neutrinos.”

Os neutrinos são partículas subatômicas quase sem massa produzidas pelo decaimento radioativo que permeiam o Universo.

Eles estão fluindo, constantemente, através de tudo, entre as partículas mais abundantes do Universo. Eles estão fluindo através de você, agora. E é isso que os torna difíceis de detectar: ​​eles quase não interagem com nada.

Para um neutrino, a matéria normal no Universo lhe parece ser fumaça e sombras. É por isso que os chamamos de partículas fantasmas.

É esta propriedade, porém, que os torna tão potencialmente úteis para estudar. Por não serem afetados pelo Universo, eles sempre viajam em linha reta.

E os neutrinos de alta energia são produzidos exclusivamente em processos que envolvem a aceleração de raios cósmicos, como os poderosos jatos gerados no ambiente extremo em torno de um buraco negro supermassivo ativo.

Se quisermos aprender sobre essas fábricas de neutrinos, porém, precisamos encontrar os neutrinos, e é aí que entra o IceCube. Enterrados na escuridão congelante sob o gelo da Antártida, os fotodetectores do IceCube procuram as “chuvas de luz” produzidas quando os neutrinos ocasionalmente interagem com átomos ou moléculas.

O Laboratório do IceCube à noite, com a Via Láctea visível acima. (Créditos: Martin Wolf/IceCube/NSF)

E foi assim que uma grande colaboração internacional, analisando cuidadosamente 10 anos de dados coletados pelo observatório, conseguiu identificar 80 neutrinos de alta energia na faixa de 1,5 a 15 TeV que rastreavam uma linha reta até NGC 1068.

NGC 1068, como já observamos, é uma galáxia ativa. É uma espiral obstruída, como a Via Láctea; ao contrário da Via Láctea, o buraco negro supermassivo no coração da NGC 1068 está devorando matéria a um ritmo furioso do espaço ao seu redor.

O buraco negro é circundado ao redor do equador por um vasto toro e disco de poeira e gás. Tudo isso orbita e alimenta o buraco negro; a gravidade e o atrito no toro e no disco produzem quantidades insanas de calor e luz.

Nem todo o material acaba além do horizonte de eventos do buraco negro. Alguns deles, pensam os cientistas, são acelerados ao longo das linhas do campo magnético do buraco negro até os polos, onde são lançados no espaço na forma de poderosos jatos de plasma que atravessam o espaço quase à velocidade da luz.

Se o jato estiver apontado em nossa direção, chamamos essa galáxia de blazar; TXS 0506+056 é um blazar, e a análise sugere que seu neutrino de 300 TeV foi produzido no jato que aponta para a Terra.

O jato da NGC 1068 não está apontado em nossa direção. De fato, a galáxia está orientada de tal forma que grande parte da luz de alta energia do núcleo galáctico ativo é obscurecida pela poeira densa. Isso significa que os neutrinos podem ser uma maneira de sondar um buraco negro difícil de estudar.

“Modelos recentes dos ambientes de buracos negros nesses objetos sugerem que gás, poeira e radiação devem bloquear os raios gama que de outra forma acompanhariam os neutrinos”, disse o físico Hans Niederhausen, da Universidade Estadual do Michigan (EUA).

“Esta detecção de neutrinos do núcleo de NGC 1068 melhorará nossa compreensão dos ambientes em torno de buracos negros supermassivos.”

A equipe interpreta os neutrinos como uma assinatura de aceleração de partículas e diz que a descoberta sugere que os núcleos galácticos ativos fazem uma contribuição significativa para preencher a lacuna da população de neutrinos.

Eles também dizem que a descoberta é um avanço para a astronomia de neutrinos e que NGC 1068 pode, no futuro, se tornar um dos alicerces do campo.

“Há vários anos, a NSF iniciou um projeto ambicioso para expandir nossa compreensão do Universo, combinando recursos estabelecidos em astronomia óptica e de rádio com novas habilidades para detectar e medir fenômenos como neutrinos e ondas gravitacionais”, disse a física Denise Caldwell, da Fundação Nacional de Ciência dos EUA (NSF), que financiou o IceCube.

“A identificação do Observatório de Neutrinos IceCube de uma galáxia vizinha como uma fonte cósmica de neutrinos é apenas o começo deste novo e maravilhoso campo que promete perspectivas sobre o poder não descoberto de buracos negros massivos e outras propriedades fundamentais do universo.”

A pesquisa foi publicada na revista Science.