Observações feitas por pesquisadores, usando um detector da National Science Foundation (NSF), no Pólo Sul, e verificadas por telescópios terrestres e espaciais, produziram a primeira evidência da existência de uma fonte de neutrinos cósmicos de alta energia. Essas partículas subatômicas podem viajar livremente por bilhões de anos-luz, deslocando-se para a Terra a partir de alguns dos ambientes mais extremos do universo, sendo que os dados recolhidos pelo Observatório de Neutrinos IceCube da National Science Foundation (NSF), na Estação Pólo Sul Amundsen-Scott, na Antártida, podem dar resposta a uma questão astrofícica que dura há mais de um século, nomeadamente sobre as origens dos raios cósmicos de alta energia.
A detecção foi confirmada por outros instrumentos, incluindo um telescópio orbital operado pela NASA, sendo assim uma demonstração do valor do campo emergente da “astronomia multi-mensageira”, que descreve a capacidade de coordenar instrumentos globalmente para fazer e verificar descobertas combinando dados de sinais mensageiros que revelam informações sobre o universo.
O IceCube da NSF foi construído especificamente para identificar e rastrear neutrinos de alta energia, sendo que ele detectou os primeiros neutrinos fora da nossa galáxia em 2013; desde então, o IceCube fez inúmeras medições fundamentais na astronomia de neutrinos, o que ajuda os cientistas a entender a matéria em suas formas mais elementares.
O Escritório de Programas Polares da NSF, que administra o Programa Antártico dos EUA (USAP) e a Divisão de Física em sua Diretoria de Matemática e Ciências Físicas, supervisionam as operações do IceCube da NSF, o maior detector de neutrinos do mundo.
Origens misteriosas
Desde que foram detectados pela primeira vez, em 1912, os raios cósmicos colocam uma questão que tem se prolongado no tempo: o que os cria e os impulsiona através de grandes distâncias, antes de “choverem” na Terra? De onde eles vêm?
Raios cósmicos são partículas carregadas. Este atributo torna impossível traçar seus caminhos de volta aos seus pontos de origem, pois os campos magnéticos que preenchem o espaço os afetam, alterando suas trajetórias. Mas os poderosos aceleradores cósmicos naturais que produzem raios cósmicos também produzem neutrinos cósmicos. Neutrinos são partículas não carregadas, não afetadas nem mesmo pelos campos magnéticos mais poderosos. Como eles raramente interagem com a matéria e quase não têm massa – daí seu apelido de “partícula fantasma” – os neutrinos viajam quase sem serem incomodados, dando aos cientistas um indicador quase direto de sua fonte.
O grupo de pesquisadores internacionais que fez esta descoberta mais recente traçou o caminho de um único neutrino detectado pelo IceCube da NSF em 22 de setembro de 2017 para um blazar conhecido, mas pouco estudado: o núcleo de uma galáxia gigante que dispara partículas em jatos maciços de partículas elementares, alimentadas por um buraco negro supermassivo no seu núcleo. Os astrônomos haviam designado este blazar como TXS 0506 + 056.
A equipe publicou seus resultados em dois trabalhos na revista Science (AQUI) e (AQUI), no último dia 13 de julho de 2018.
IceCube
Equipado com um sistema de alerta relativamente novo – desencadeado quando neutrinos de energias muito altas colidem com um núcleo atômico dentro ou perto do detector IceCube da NSF -, o observatório envia coordenadas para telescópios em todo o mundo menos de um minuto após a detecção para observações posteriores.
Dois telescópios de raios gama – o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi, da NASA, que já havia observado uma atividade de raios gama aprimorada na direção do blazar durante suas varreduras regulares de todo o céu a cada três horas – e o MAGIC – Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes, localizado nas Ilhas Canárias, vasculharam na direção fornecida pelo IceCube da NSF. Eles detectaram uma explosão de raios gama de alta energia associados ao TXS 0506 + 056, sendo que a convergência de observações multi-mensageiro identificou o blazar como a fonte.
Partículas de alta energia
O Fermi foi o primeiro telescópio a identificar a atividade de raios gama aumentada do TXS 0506 + 056 dentro de 0,06 graus da direção do neutrino IceCube. Em mais de uma década de observações de Fermi desta fonte, este foi o mais forte dos raios gama, os fótons com maior energia. Um acompanhamento posterior dO MAGIC detectou raios gama de energias ainda mais altas. Raios gama de alta energia podem ser produzidos por elétrons ou prótons acelerados. A observação de um neutrino, uma característica das interações entre prótons, é a primeira evidência definitiva de aceleração de prótons por buracos negros.
As observações provam que o TXS 056 + 056 está entre as fontes mais luminosas do universo conhecido e, portanto, adiciona apoio a uma observação multi-mensageira de um motor cósmico poderoso o suficiente para acelerar os raios cósmicos de alta energia e produzir os neutrinos associados. Um desses neutrinos, de muitos milhões que navegaram pelo gelo da Antártida, foi capturado pelo IceCube da NSF em 22 de setembro de 2014.
Após essa detecção, a equipe do IceCube vasculhou rapidamente os dados de arquivamento do detector – o IceCube da NSF está sempre ligado e olhando em todas as direções, incluindo a Terra, para o céu no Hemisfério Norte – e descobriu um surto de neutrinos em dezembro desse mesmo ano, coincidente com o mesmo blazar, TXS 0506 + 056, que os cientistas apelidaram de “fonte do Texas”. Essa observação independente 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.
Métodos de detecção de neutrinos
O gelo cristalino sob o Pólo Sul fornece o meio que permite que o IceCube da NSF documente a interação de neutrinos com matéria terrestre. Colisões entre neutrinos de alta energia e núcleos atômicos são muito raras, mas produzem uma assinatura inconfundível – um cone característico de luz azul que é mapeado através da grade
Um neutrino, interagindo com uma molécula de gelo, produz uma partícula secundária que se move a uma velocidade relativa no gelo, deixando um rastro de luz azul atrás dele.
do detector de 5.000 tubos fotomultiplicadores. Quando um neutrino bate no núcleo de um átomo, cria uma ou mais partículas carregadas secundárias, que, por sua vez, criam a luz azul. Como a partícula carregada e a luz que ela cria permanecem essencialmente fiéis à direção do neutrino, ela dá aos cientistas um caminho para seguir de volta a uma fonte.
O observatório IceCube da NSF é operado por uma colaboração internacional que inclui mais de 300 cientistas de 49 instituições diferentes em 12 países. O observatório faz parte do Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center, baseado na Universidade de Wisconsin (EUA), um centro que reúne recursos científicos, de engenharia, computacionais e educacionais em torno do tema da astrofísica de partículas. O USAP gerenciado pela NSF construiu e mantém o observatório IceCube em um dos ambientes mais adversos do mundo.
A necessidade de enviar todos os componentes para a construção do detector nos porões de aeronaves militares de carga, bem como o desenvolvimento de técnicas de perfuração de água quente necessárias para instalar instrumentos na camada de gelo, fazem o IceCube da NSF, que entrou em operação em 2010, se assumir como um esforço científico e logístico excepcionalmente desafiador, sendo que os trabalhos agora publicados na Science constituem linhas importantes para os trabalhos de pesquisa que se desenvolvem no IFSC/USP.
(Fonte: National Science Foundation / Fotos: IceCube/NSF)
Assessoria de Comunicação – IFSC/USP
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