Partículas fantasmas capturadas fluindo de buraco negro envolto em poeira

O observatório IceCube na Antártida capturou a melhor evidência ainda de que o núcleo galáctico de M77 está produzindo neutrinos.

A galáxia ativa M77 capturada pelo Telescópio Espacial Hubble. NASA, ESA & A. van der Hoeven 

As origens dos neutrinos são notoriamente difíceis de identificar. O cosmos é inundado por essas partículas fantasmagóricas, que vêm de todo o céu. Mas durante anos, a natureza esquiva dos neutrinos significava que os astrônomos poderiam apontar confiantemente para apenas uma galáxia conhecida por produzi-los.

Agora, há fortes evidências por um segundo: a espiral brilhante M77 (NGC 1068) em Cetus. Em um artigo publicado em 3 de novembro na Science, pesquisadores relatam novas observações do observatório de neutrinos IceCube no Polo Sul, além de técnicas de análise aprimoradas que se baseiam no aprendizado de máquina. Combinados, os resultados apontam o M77 como a origem de 79 neutrinos que o IceCube detectou na última década.

Essa interpretação sugere que o buraco negro supermassivo no coração obscurecido de pó de M77 tem um campo magnético que está agindo como um poderoso acelerador de partículas. Mas também sugere respostas para um mistério astronômico maior: como os neutrinos são produzidos e como esse processo se relaciona com outras formas de alta energia de luz e matéria que os astrônomos detectam no céu — raios cósmicos e raios gama. Em M77, IceCube poderia estar tendo um vislumbre da origem dos raios cósmicos, diz Francis Halzen, principal pesquisador do IceCube e físico de partículas na Universidade de Wisconsin, em Madison. De qualquer forma, Halzen está otimista de que mais resultados serão apresentados: "Acho que temos as ferramentas para resolver o problema mais antigo da astronomia".

Partículas esquivas

O laboratório IceCube está localizado perto da Estação Amundsen-Scott do Polo Sul. Martin Wolf, IceCube/NSF

A teoria prevê que os neutrinos se originam em algumas das regiões mais energéticas e violentas do espaço: por exemplo, os núcleos das galáxias, quando os raios cósmicos se deparam com poeira e radiação. Os detritos radioativos dessas colisões eventualmente se decompõem em neutrinos e raios gama.

Observar isso, no entanto, não é fácil. Neutrinos não são raros - cerca de 100 trilhões deles passam pelo seu corpo a cada segundo. A dificuldade é que ao contrário da luz, que é facilmente refletida ou dobrada por espelhos e lentes, os neutrinos mal interagem com a matéria. Um neutrino poderia viajar através do chumbo por um ano-luz antes de ter 50% de chance de interagir com um átomo.

Em 2017, o IceCube desempenhou um papel fundamental em um dos primeiros exemplos de uma campanha de astronomia multi-mensageiro, quando o observatório detectou um neutrino particularmente energético vindo de um ponto em Órion. Observações de acompanhamento de telescópios terrestres e espaciais — incluindo o telescópio de raios gama Fermi da NASA — trabalhando em todo o espectro eletromagnético mostraram que o neutrino provavelmente veio de um blazar conhecido, OXS 0506+056, que estava no meio da produção de um sinalizador de raios gama. 

Blazars são os principais candidatos para a geração de neutrinos: eles têm buracos negros supermassivos centrais cuspindo jatos de material a velocidade próxima da luz alinhados diretamente na Terra. No entanto, a quantidade de neutrinos que iceCube detectou de TXS 0506+056 é muito menor do que os astrônomos esperariam se os blazars fossem a única fonte para todos os neutrinos vistos através do céu. 

Isso levou os astrônomos a suspeitar que outros tipos de galáxias poderiam estar produzindo neutrinos, também — aqueles cujos raios gama estão "escondidos", talvez obscurecidos. Uma análise dos dados do IceCube publicada em 2020identificou provisoriamente uma dessas galáxias candidatas: M77 em Cetus, a cerca de 30 milhões a 60 milhões de anos-luz de distância. Parecia ser a fonte de dezenas de neutrinos, apesar do fato de que seu núcleo não tem os poderosos jatos vistos em blazars. É "um exemplo claro de que [um] acelerador de raios cósmicos obscurecido de raios cósmicos", disse Khota Murase, astrofísica da Universidade Estadual de Penn, que não estava envolvida no trabalho, disse Astronomia por  e-mail.

Mas as evidências a partir de 2020 não foram fortes o suficiente para a equipe do IceCube reivindicar o M77 como uma detecção clara; de acordo com a análise da equipe, a significância estatística foi de 2,9 sigma, o que significa que havia cerca de 1 em 500 chances de que o acúmulo de neutrinos da localização de M77 pudesse ser uma ocorrência aleatória. Deixou em aberto a pergunta: "Isso era real, ou eram essas flutuações?", diz Halzen. Mas com o novo jornal, ele diz, "nós agora respondemos a esta pergunta."

Análise melhorada

A nova análise inclui uma série de melhorias, incluindo técnicas de aprendizado de máquina para melhorar a precisão das faixas de neutrinos e suas energias. A equipe diz que também tem uma melhor compreensão das propriedades ópticas do gelo e da sensibilidade direcional do IceCube aos neutrinos. Esses fatores ele empurram a significância estatística do achado para até 4,2 sigma. 

Isso ainda é curto do limiar de 5 sigma que é considerado o padrão-ouro na física, o que equivale a uma probabilidade de que o sinal poderia ser um erro aleatório de apenas 1 em 3,5 milhões. Ainda assim, é "um grande progresso", diz Murase, que também escreveu um comentário para a Ciência acompanhando o artigo.

IceCube planeja manter seu ímpeto. Durante a temporada de verão do Polo Sul, que abrange 2025 e 2026, o observatório será atualizado com mais sensores e novos dispositivos de calibração. As adições melhorarão a sensibilidade do telescópio e também permitirão outra reanálise melhorada de 15 anos de dados, diz Halzen.

Fonte: Astronomy.com