Descoberta de fábricas extragalácticas de neutrinos

Altamente energéticos e difíceis de detectar, os neutrinos viajam bilhões de anos-luz antes de chegar ao nosso planeta. Embora se saiba que essas partículas elementares vêm das profundezas do nosso universo, sua origem precisa ainda é desconhecida.

Uma ilustração artística de um blazar acelerando raios cósmicos, neutrinos e fótons até altas energias, como observado em blazares PeVatron. Crédito: Benjamin Amend

Uma equipe de pesquisa internacional, liderada pela Universidade de Würzburg e pela Universidade de Genebra (UNIGE), está lançando luz sobre um aspecto desse mistério: acredita-se que os neutrinos nascem em blazars, núcleos galácticos alimentados por buracos negros supermassivos. Esses resultados foram publicados na revista The Astrophysical Journal Letters. A atmosfera da Terra é continuamente bombardeada por raios cósmicos. Estes consistem em partículas eletricamente carregadas de energias de até 1020 elétron-volts. 

Isso é um milhão de vezes mais do que a energia alcançada no acelerador de partículas mais poderoso do mundo, o Grande Colisor de Hádrons, perto de Genebra. As partículas extremamente energéticas vêm do espaço sideral profundo, viajaram bilhões de anos-luz. De onde eles se originam, o que os lança pelo universo com uma força tão tremenda? Essas questões estão entre os maiores desafios da astrofísica há mais de um século. 

Os locais de nascimento dos raios cósmicos produzem neutrinos. Neutrinos são partículas neutras difíceis de detectar. Eles quase não têm massa e dificilmente interagem com a matéria. Eles correm pelo universo e podem viajar através de galáxias, planetas e o corpo humano quase sem deixar vestígios. “Os neutrinos astrofísicos são produzidos exclusivamente em processos que envolvem a aceleração de raios cósmicos”, explica a professora de astrofísica Sara Buson, da Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg, na Baviera, Alemanha. Isso é precisamente o que torna esses neutrinos mensageiros únicos, abrindo caminho para identificar fontes de raios cósmicos. 

Um passo à frente em um debate polêmico 

Apesar da grande quantidade de dados que os astrofísicos coletaram, a associação de neutrinos de alta energia com as fontes astrofísicas que os originaram é um problema sem solução há anos. Sara Buson sempre considerou isso um grande desafio. Foi em 2017 que o pesquisador e colaboradores trouxeram pela primeira vez um blazar (TXS 0506+056) para a discussão como uma fonte putativa de neutrinos na revista Science. 

Os blazares são núcleos galácticos ativos alimentados por buracos negros supermassivos que emitem muito mais radiação do que toda a sua galáxia. A publicação provocou um debate científico sobre se realmente existe uma conexão entre blazares e neutrinos de alta energia. 

Após este primeiro passo encorajador, em junho de 2021, o grupo do Prof. Buson iniciou um ambicioso projeto de pesquisa multi-mensageiro com o apoio do Conselho Europeu de Pesquisa. Isso envolve a análise de vários sinais (“mensageiros”, por exemplo, neutrinos) do universo. O objetivo principal é lançar luz sobre a origem dos neutrinos astrofísicos, possivelmente estabelecendo os blazares como a primeira fonte de neutrinos extragalácticos de alta energia com alta certeza. 

O projeto está agora mostrando seu primeiro sucesso: na revista Astrophysical Journal Letters, Sara Buson, junto com seu grupo, a ex-pós-doc Raniere de Menezes (JMU) e com Andrea Tramacere, da Universidade de Genebra, relata que os blazares podem ser associados com confiança com neutrinos astrofísicos em um grau de certeza sem precedentes. 

Revelando o papel dos blazares 

Andrea Tramacere é uma das especialistas em modelagem numérica de processos de aceleração e mecanismos de radiação que atuam em jatos relativísticos – saídas de matéria acelerada, aproximando-se da velocidade da luz – em particular jatos blazar. “O processo de acreção e a rotação do buraco negro levam à formação de jatos relativísticos, onde as partículas são aceleradas e emitem radiação até energias de mil bilhões da luz visível! raios podem ser a ‘pedra de Roseta’ da astrofísica de alta energia.” 

Para chegar a esses resultados, a equipe de pesquisa utilizou dados de neutrinos do Observatório de Neutrinos IceCube na Antártida – o detector de neutrinos mais sensível atualmente em operação – e BZCat, um dos catálogos mais precisos de blazares. “Com esses dados, tivemos que provar que os blazares cujas posições direcionais coincidiam com as dos neutrinos não estavam ali por acaso.

” Para isso, o pesquisador da UNIGE desenvolveu um software capaz de estimar o quanto as distribuições desses objetos no céu se parecem. “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.” 

Apesar desse sucesso, a equipe de pesquisa acredita que essa primeira amostra de objetos é apenas a “ponta do iceberg”. Este trabalho permitiu-lhes reunir “novas evidências observacionais”, que é o ingrediente mais importante para a construção de modelos mais realistas de aceleradores astrofísicos. “O que precisamos fazer agora é entender qual é a principal diferença entre objetos que emitem neutrinos e aqueles que não emitem. 

Isso nos ajudará a entender até que ponto o ambiente e o acelerador ‘conversam’ entre si. então ser capaz de descartar alguns modelos, melhorar o poder preditivo de outros e, finalmente, adicionar mais peças ao eterno quebra-cabeça da aceleração dos raios cósmicos.”

Fonte: phys.org