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A longa caçada astronômica por fonte de “partículas fantasmas” extragaláctica dá resultados

Desde meados do século XX, quando os físicos sonharam com a ideia de fazer astronomia com neutrinos, o santo graal tem sido observar o primeiro objeto fora do nosso sistema solar que emite essas partículas fantasmas. Poucas foram coletadas de uma supernova próxima, em 1987, mas isso foi um evento raro e os instrumentos que fizeram a detecção nem pareciam telescópios; eles não podiam discernir muito mais do que o que era esquerda e direita, cima e baixo.

Três artigos publicados anunciam a culminação de 60 anos de buscas. IceCube, um estranho telescópio feito de gelo glacial profundo no Polo Sul, detectou neutrinos de uma galáxia luminosa distante.

O neutrino é parcimoniosamente sem massa e viaja pelo espaço a velocidades próximas à da luz. Seu codinome, “partícula fantasma”, é devido à rara interação com qualquer tipo de matéria e é, portanto, diabolicamente difícil de detectar. Como o fóton (partícula de luz), o neutrino não carrega carga elétrica, e por isso não é desviado por campos eletromagnéticos: sua direção de chegada apontará diretamente para a direção que ele veio.

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Diferente do fóton, entretanto, o neutrino pode atravessar planetas, galáxias e lençóis de poeiras interestelares — como uma bala consegue passar pela fumaça — nos trazendo, deste modo, informações de regiões que estão opacas à luz nas bordas do universo e dos tempos mais remotos de sua formação.

A última descoberta representa apenas a segunda vez – depois da supernova quase milagrosa – os cientistas identificaram neutrinos e luz vindos do mesmo objeto extragalático. Isso também fornece uma pista para o mistério de longa data de como as partículas carregadas conhecidas como raios cósmicos, que constantemente bombardeiam nosso planeta no espaço, são aceleradas para as mais altas energias que já foram observadas. “É incrivelmente excitante e o que sempre esperávamos dos detectores de neutrinos”, diz Alan Watson, físico de raios cósmicos da Universidade de Leeds, na Inglaterra, que não esteve envolvido nesses estudos.

O Fermi (em cima, à esquerda), da NASA, alcançou um novo primeiro – identificando um buraco negro monstruoso em uma galáxia distante como a fonte de um neutrino de alta energia visto pelo IceCube Neutrino Observatory (cordas de sensor, em baixo). Crédito: NASA, Fermi e Aurore Simonnet e Sonoma State University.

O OBSERVATÓRIO NO GELO

O IceCube pode dizer a direção de alguns neutrinos a mais de um quarto de um grau. Consiste em um bilhão de toneladas de gelo antártico com cerca de dois quilômetros de profundidade, monitorados por mais de 5.000 detectores de luz. Em 2013, detectou os primeiros neutrinos de alta energia provenientes de além da nossa atmosfera. Mas essa descoberta não foi inteiramente satisfatória porque esses neutrinos tinham chovido uniformemente no céu: não havia indicação de objetos específicos que possam ter emitido – nenhuma “fonte pontual”.

Em setembro passado, o IceCube detectou um neutrino carregando cerca de 20 vezes a energia de qualquer partícula que poderia ser criada pelos mais poderosos aceleradores feitos pelo homem. Isso significa que provavelmente veio do espaço sideral. O instrumento transmite um alerta automático.

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Os alertas do IceCube geram muito interesse entre os astrônomos, porque o neutrino representa a terceira flecha no tremor do campo recém-nascido da astronomia multi-mensagem. Os astrofísicos há muito sonham em empregar mensageiros além da luz para revelar o funcionamento interno das muitas maravilhas insondáveis ​​do cosmos. E o sonho tinha se tornado realidade apenas um mês antes, quando três observatórios de ondas gravitacionais detectaram a fusão de duas estrelas de nêutrons e telescópios ópticos que ligaram essa fusão a uma explosão de raios gama: um breve lampejo da forma mais energética de luz. Nenhum neutrino foi visto, contudo.

UM BLAZAR VISTO NO TEXAS

Vários dias depois do alerta do IceCube, o astrônomo Yasuyuki Tanaka, que trabalha em Kanata (“distante” em japonês), um telescópio ótico/infravermelho próximo operado pela Universidade de Hiroshima, percebeu que o neutrino estava apontando dentro de dois décimos de grau de um conhecido blazar chamado TXS 0506 + 056, que foi observado pela primeira vez por um radiotelescópio no Texas há quatro décadas.

Os blazares estão entre as criaturas mais violentas do zoológico astronômico: galáxias elípticas gigantes com buracos negros supermassivos de órbitas rápidas em seus núcleos que engolem estrelas próximas e outros materiais em uma espécie de terremoto cósmico contínuo, enviando jatos de luz e outras partículas semelhantes a laser de seus pólos norte e sul. O que diferencia os blazares de outras galáxias com os chamados núcleos ativos é que um dos jatos aponta na direção da Terra, tornando esses objetos extremamente brilhantes. Blazares ocasionalmente clareiam, iluminando por fatores de 10 ou mais por períodos de minutos a anos. Por serem tão cataclísmicos e emitirem raios gama muito energéticos, há muito se suspeita que emitem não apenas neutrinos de alta energia, mas também misteriosos raios cósmicos de energia ultra-alta.

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Tanaka também trabalha no Fermi Gamma-ray Space Telescope, que tem captado imagens de todo o céu de raios gama a cada três horas por cerca de 10 anos. Pesquisando em seus catálogos, ele descobriu que o TXS estava em clareando desde o mês de abril anterior. Ele enviou um segundo alerta incentivando “observações dessa fonte” através do espectro óptico.

O TXS não se distinguiu entre os cerca de 4.000 blazares conhecidos até aquele momento, então pouco se sabia sobre ele – até mesmo a que distância que ele estava. Na excitação após o alerta de Tanaka, a comunidade astronômica compensou o tempo perdido. Um grupo determinou que o TXS está a cerca de 4,5 bilhões de anos-luz de distância. Isso faz com que ele seja um dos objetos mais luminosos do cosmos.

Seis dias após o alerta de Tanaka, os operadores do MAGIC, o Telescópio Cherenkov da Atmospheric Gamma Imaging, na ilha de La Palma, anunciaram a observação de gamas de alta energia provenientes do TXS. Como o MAGIC vê energias mais altas e tem uma resolução angular melhor que o Fermi, essa descoberta fortaleceu a conexão com o neutrino – mas não o bastante. No primeiro dos artigos publicados, o IceCube e as 15 colaborações que seguiram em alerta concluem que há cerca de uma chance em mil: a coincidência na direção e no tempo entre o único neutrino e o blazer era apenas uma coincidência. Neste negócio, você precisa de uma chance em três milhões para reivindicar a descoberta.

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Mas o investigador principal do IceCube, Francis Halzen, físico da Universidade de Wisconsin-Madison, aponta que há mais na ciência do que nas estatísticas. Ele cita o grande experimentalista Ernest Rutherford: “Se seu experimento precisa de um estatístico, você precisa de um experimento melhor”, e acrescenta: “Nós fizemos isso.”

RETROCEDENDO NO TEMPO

O grupo de origem pontual do IceCube, liderado pelo astrofísico Chad Finley, da Universidade de Estocolmo, analisou os dados históricos do experimento e descobriram que o IceCube havia detectado um espetacular “surto de neutrinos” do TXS – cerca de 13 partículas ao todo – durante um período de quatro meses a partir de outubro de 2014. Perplexamente, o Fermi não observou nenhuma chama correspondente nos raios gama. .

Outra “IceCubista”, Elisa Resconi, uma astrofísica da Universidade Técnica de Munique, reuniu uma pequena equipe para investigar mais de perto. Sintetizando todas as observações que já foram feitas sobre o TXS, eles descobriram que ele realmente havia se expandido em gamas em 2014, mas de uma maneira sutil. Embora não houvesse gerado mais energia de raios gama, seu espectro havia se deslocado para as gamas de alta energia exatamente quando explodiu em neutrinos. E as formas dos espectros óptico e de neutrinos mudaram-se de forma complementar durante as duas chamas. “Tudo se mantém unido”, diz Watson, “acredito na pesquisa, mas foram necessários os três artigos para me convencer. Esta é a primeira evidência direta convincente da aceleração de um componente hadrônico [uma partícula feita de quarks] em qualquer fonte.”

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A física básica de partículas diz que esses neutrinos só podem ter sido produzidos por hádrons, que seriam principalmente prótons, emergindo no jato de blazar e colidindo com outras partículas, incluindo fótons, ao sair. Como os raios cósmicos que bombardeiam a Terra são compostos predominantemente por prótons e núcleos mais pesados, o simples fato de um blazar ter agora demonstrado produzir neutrinos de alta energia é o primeiro indício sólido de uma possível fonte de raios cósmicos de energia ultra-alta. A razão pela qual é difícil identificar as fontes dos raios cósmicos é que eles carregam carga elétrica, então suas trajetórias são dobradas por campos magnéticos interestelares e suas direções de chegada não apontam para suas origens. Como os neutrinos detectados no IceCube devem ter viajado em linhas retas e devem ter sido produzidos por hádrons, eles indicam que os hádrons de alta energia devem ter sido emitidos da mesma fonte de blazar.

Os vários modelos para emissão de neutrinos a partir de blazares, desenvolvidos em isolamento teórico, agora tiveram seu primeiro encontro com dados reais, e nenhum pode explicar os detalhes exatos que foram vistos. O teórico Eli Waxman, do Instituto de Ciência Weizmann, em Israel, acredita que os modelos “exigirão uma modificação completa”.

Essa descoberta também dá impulso para o campo nascente da astronomia de neutrinos. Tanto Waxman quanto Watson agora têm fome de instrumentos de próxima geração. A colaboração do IceCube propôs um upgrade que melhora a sensibilidade em uma ordem de grandeza, e instrumentos similares estão planejados para serem utilizados no Mar Mediterrâneo e no Lago Baikal, na Sibéria.

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Enquanto isso, este notável telescópio continua a observar o céu de neutrinos a partir da sua morada gelada. O IceCube ainda terá mais surpresas a demonstrar. [Scientific American]

Elisson Amboni
Publicado por

Fundador dos sites SoCientífica e Revista Quarka. Fotógrafo da Natureza, redator e tradutor. Inclinado à História (Natural e Humana) e Filosofia.

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