Parece ter chegado ao fim o mistério da origem dos raios cósmicos de altíssima energia, as partículas mais energéticas do Universo, que chegam à Terra vindos de fora de nossa galáxia, a Via Láctea.
© DESY (ilustração de um blazar emitindo neutrinos)
Uma equipe internacional de cientistas encontrou a primeira evidência de uma fonte de neutrinos de alta energia: uma galáxia ativa, ou blazar.
É a primeira vez que se identifica com tanta precisão a possível origem destas partículas, que, como se confirmou recentemente, são geradas fora da Via Láctea. A observação foi feita no dia 22 de setembro de 2017 no Observatório de Neutrinos IceCube, uma rede de 5.160 detectores instalados sob um bilhão de toneladas de gelo, construída próxima ao polo Sul, na Antártida.
As informações obtidas até agora corroboram a hipótese de que os buracos negros funcionariam como potentes aceleradores cósmicos de partículas, que atingiriam energias de milhões a bilhões de vezes superiores às produzidas nos maiores equipamentos já construídos pela ciência.
Descobertos em 1912 pelo físico austríaco Victor Hess, os raios cósmicos são partículas eletricamente carregadas vindas do espaço com velocidades próximas à da luz. Apesar de serem algumas das partículas mais abundantes no Universo, 100 trilhões passam através dos nossos corpos a cada segundo, estas partículas subatõmicas, eletricamente neutras, são notoriamente difíceis de serem detectadas porque raramente interagem com a matéria.
Enquanto os neutrinos primordiais foram criados durante o Big Bang, muitas destas partículas ilusórias são rotineiramente produzidas em reações nucleares através do cosmos. A maioria dos neutrinos que chegam à Terra derivam do Sol, mas acredita-se que aqueles que nos atingem com as energias mais altas provêm das mesmas fontes que os raios cósmicos, partículas altamente energéticas originárias de fontes exóticas fora do Sistema Solar.
Os raios cósmicos de mais baixa energia são criados e acelerados em explosões estelares na Via Láctea. Já os mais energéticos, com energias superiores a 1 EeV (1 exaelétrons-volts, ou 1018 elétrons-volts), devem ser prótons ou núcleos atômicos vindos de lugares muito distantes, fora de nossa galáxia. O principal desafio de determinar sua origem é que, por serem partículas eletricamente carregadas, não viajam em linha reta: sua trajetória é desviada ao atravessarem campos magnéticos dentro e fora das galáxias.
Uma maneira de contornar este problema é observar neutrinos de alta energia. Os neutrinos têm uma massa ínfima, carga elétrica nula e, portanto, quase não interagem com a matéria. Estas características permitem que viajem pelo espaço em linha reta e a velocidades próximas à da luz, atravessando quase tudo o que encontram pelo caminho sem serem perturbados, razão por que são chamados de partículas fantasmas.
Os astrofísicos estimam que alguns dos neutrinos de alta energia observados na Terra também venham de fora da galáxia e sejam produzidos pelos mesmos fenômenos que geram os raios cósmicos. Assim, traçar a origem destes neutrinos extragalácticos levaria também à origem dos raios cósmicos ultraenergéticos.
Em setembro de 2017, os detectores do IceCube registraram um sinal indicando a passagem de um único neutrino com energia de 290 TeV (teraelétrons-volts), 40 vezes a dos prótons acelerados no Large Hadron Collider (LHC), o maior acelerador de partículas do mundo, instalado na fronteira da Suíça com a França. Ao refazer o percurso do neutrino nos detectores do IceCube, os pesquisadores verificaram que sua origem seria um ponto do céu na constelação de Órion.
O telescópio espacial de raios gama Fermi da NASA e os telescópios MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) em La Palma, nas Ilhas Canárias, observaram esta parte do céu e encontraram o blazar conhecido, TXS 0506+056, num estado de intensa emissão de alta energia ao mesmo tempo que o neutrino foi detectado no Polo Sul.
Os blazares são os núcleos centrais de galáxias gigantes que abrigam um buraco negro supermassivo no núcleo, onde a matéria espiralada forma um disco giratório quente que gera enormes quantidades de energia, junto com um par de jatos relativísticos.
O TXS 0506+056 é uma galáxia com núcleo ativo. Isso significa que ela abriga em seu centro um buraco negro com massa muito elevada que, ao consumir a matéria ao redor, expulsa jatos de radiação luminosa que brilha mais do que todas as estrelas da galáxia.
Após os alertas do IceCube e do Fermi, 17 observatórios ao redor do mundo acompanharam as variações de brilho do TXS 0506+056. O objeto emite radiação em todas as faixas de energia do espectro eletromagnético, das mais baixas (ondas de rádio) até as mais altas (raios X e gama).
As observações sugerem que o brilho detectado seja a radiação gerada por um jato de matéria ejetada por campos magnéticos ao redor de um buraco negro de massa muito elevada (equivalente à de bilhões de sóis) no centro de uma galáxia a 4 bilhões de anos-luz de distância da Terra.
No caso do TXS 0506+056, seu jato está apontado diretamente para a Terra. Este aspecto permite que tanto a radiação eletromagnética, quanto os neutrinos produzidos ao longo do jato cheguem ao planeta depois de viajar durante 4 bilhões de anos em linha reta.
Duas coincidências permitiram aos pesquisadores conectar a origem do neutrino ao blazar: a detecção da partícula ocorreu simultaneamente ao aumento de brilho do TXS 0506+056 e tanto o neutrino quanto a radiação vieram da mesma região do espaço.
Seria essa coincidência mero fruto do acaso? Para diminuir o risco de estarem se iludindo, os pesquisadores analisaram dados coletados durante 10 anos pelo IceCube em busca de mais detecções de neutrinos de alta energia vindos da região do blazar TXS 0506+056. De setembro de 2014 a março de 2015, uma dúzia de neutrinos, possivelmente oriundos daquele mesmo ponto no céu, atravessaram os detectores ocultos no gelo da Antártida, mas deixaram um traço mais difuso.
Em 2017, a combinação de duas técnicas permitiu identificar a região do espaço em que ocorreu o choque explosivo de duas estrelas de nêutrons e estudar em detalhes as consequências desse tipo de colisão, fonte de elementos químicos pesados do Universo, como o ouro.
Esta observação fortalece muito a detecção inicial de um único neutrino de alta energia e aumenta o volume de dados que indicam que o blazar é a primeira fonte conhecida de neutrinos de alta energia e raios cósmicos de alta energia.
Fonte: Science
