Astrônomos rastrearam um neutrino de alta energia até sua fonte cósmica pela primeira vez, resolvendo um mistério centenário no processo.

Neutrinos são partículas subatômicas quase sem massa que não têm carga elétrica e, portanto, raramente interagem com o seu ambiente. Na verdade, trilhões dessas “partículas fantasmas” fluem pelo seu corpo despercebidas e sem obstáculos a cada segundo.

A maioria desses neutrinos vem do sol. Mas uma pequena percentagem, que se vangloria de energias extremamente elevadas, roçou até ao nosso pescoço do bosque a partir de um espaço muito profundo. A inerente elusividade dos neutrinos tem impedido os astrônomos de fixar a origem de tais vagabundos cósmicos – até agora.

Observações do Observatório IceCube Neutrino no Pólo Sul e uma série de outros instrumentos permitiram aos pesquisadores rastrear um neutrino cósmico até um blazar distante, uma enorme galáxia elíptica com um buraco negro de rotação rápida no seu coração.

E há mais. Os neutrinos cósmicos andam de mãos dadas com os raios cósmicos, partículas altamente energéticas carregadas que batem continuamente no nosso planeta. Então, os novos blazares de pinos como aceleradores de pelo menos alguns dos raios cósmicos mais rápidos também.

Astrônomos têm se perguntado sobre isso desde que os raios cósmicos foram descobertos pela primeira vez, em 1912. Mas eles têm sido frustrados pela natureza carregada das partículas, que dita que os raios cósmicos são puxados desta forma e por vários objetos à medida que eles fazem zoom através do espaço. O sucesso finalmente veio do uso da jornada em linha reta de uma partícula fantasma companheiro de viagem.

“Temos procurado as fontes dos raios cósmicos por mais de um século, e finalmente encontramos uma”, disse Francis Halzen, cientista líder do Observatório IceCube Neutrino e professor de física da Universidade de Wisconsin-Madison, ao Space.com.

Um esforço de equipe

IceCube, que é gerenciado pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA (NSF), é um dedicado caçador de neutrinos. A instalação consiste em 86 cabos, que se aninham dentro de furos que se estendem cerca de 1,5 milhas (2,5 quilômetros) até o gelo antártico. Cada cabo, por sua vez, contém 60 “módulos ópticos digitais” de tamanho basquetebol, que são equipados com detectores de luz sensível.

Estes detectores foram concebidos para captar a luz azul característica emitida após a interacção de um neutrino com um núcleo atómico. (Esta luz é emitida por uma partícula secundária criada pela interacção. E no caso de você estar se perguntando: Tudo isso impede que partículas que não sejam neutrinos alcancem os detectores e sujem os dados). Estes são eventos raros; IceCube mancha apenas algumas centenas de neutrinos por ano, disse Halzen.

A instalação já fez grandes contribuições para a astronomia. Em 2013, por exemplo, o IceCube fez a primeira detecção confirmada de neutrinos de além da galáxia da Via Láctea. Pesquisadores não foram capazes de localizar a fonte dessas partículas fantasmas de alta energia na época.

Em 22 de setembro de 2017, entretanto, IceCube pegou outro neutrino cósmico. Era extremamente energético, embalando cerca de 300 teraelectron volts – quase 50 vezes maior do que a energia dos prótons que ciclam através do acelerador de partículas mais poderoso da Terra, o Large Hadron Collider.

Em 1 minuto da detecção, a instalação enviou uma notificação automática, alertando outros astrônomos para a localização e retransmissão de coordenadas para o pedaço de céu que parecia abrigar a fonte da partícula.

A comunidade respondeu: Cerca de 20 telescópios no solo e no espaço percorreram esse remendo através do espectro eletromagnético, de ondas de rádio de baixa energia a raios gama de alta energia. As observações combinadas rastrearam a origem do neutrino até um blazar já conhecido chamado TXS 0506+056, que fica a cerca de 4 bilhões de anos-luz da Terra.

Por exemplo, observações de acompanhamento por vários instrumentos diferentes – incluindo o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA e o Telescópio Cherenkov de Imagem Gama Atmosférica Principal (MAGIC) nas Ilhas Canárias – revelaram uma poderosa queima de luz de raios gama do TXS 0506+056.

A equipa do IceCube também analisou os seus dados de arquivo e encontrou mais de uma dúzia de outros neutrinos cósmicos que pareciam vir do mesmo blazar. Essas partículas adicionais foram coletadas pelos detectores do final de 2014 até o início de 2015.

“Todas as peças se encaixam”, disse Albrecht Karle, cientista sênior do IceCube e professor de física da UW-Madison, em uma declaração. “A erupção de neutrino nos nossos dados de arquivo tornou-se uma confirmação independente”. Juntamente com observações de outros observatórios, é uma evidência convincente para este blazar ser uma fonte de neutrinos extremamente energéticos e, portanto, raios cósmicos de alta energia”

Os resultados são relatados em dois novos estudos publicados online hoje (12 de julho) na revista Science. Você pode encontrá-los aqui e aqui.

Astrofísica do multissageiro em ascensão

Blazares são um tipo especial de galáxia ativa superluminosa que explode jatos gêmeos de luz e partículas, um dos quais é direcionado diretamente para a Terra. (É em parte por isso que os blazares parecem tão brilhantes para nós – porque estamos na linha de fogo de jactos)

Astrónomos identificaram vários milhares de blazares em todo o Universo, nenhum dos quais foi ainda encontrado a atirar-nos neutrinos como o TXS 0506+056 é.

“Há algo de especial nesta fonte, e temos de descobrir o que é”, disse Halzen ao Space.com.

É apenas uma das muitas questões levantadas pelos novos resultados. Por exemplo, Halzen também gostaria de saber o mecanismo de aceleração: como, exatamente, os blazares conseguem neutrinos e raios cósmicos a velocidades tão tremendas?

Halzen expressou otimismo em responder tais questões num futuro relativamente próximo, citando o poder da “astrofísica multimessageiros” – o uso de pelo menos dois tipos diferentes de sinais para interrogar o cosmos – em exibição nos dois novos estudos.

A descoberta do neutrino segue de perto os calcanhares de outro marco multimessenger: Em outubro de 2017, pesquisadores anunciaram que haviam analisado uma colisão entre duas estrelas de nêutrons superdensas observando tanto a radiação eletromagnética quanto as ondas gravitacionais emitidas durante o dramático evento.

“A era da astrofísica multimessageiros está aqui”, disse o diretor da NSF France Cordova na mesma declaração. “Cada mensageiro – da radiação eletromagnética, ondas gravitacionais e agora neutrinos – nos dá uma compreensão mais completa do universo e novos insights importantes sobre os objetos e eventos mais poderosos do céu”.

Follow Mike Wall no Twitter @michaeldwall e Google+. Siga-nos @Spacedotcom, Facebook ou Google+. Originalmente publicado em Space.com.