Astrónomos Demonstram que Galáxias Activas São Fontes de Neutrinos Ultra Energéticos

Um painel constituído por cientistas que estudam fenómenos astrofísicos de alta energia acabou de anunciar a primeira detecção inequívoca de neutrinos ultra energéticos provenientes do núcleo activo de uma galáxia. O anúncio foi feito durante uma conferência de imprensa

organizada pela National Science Foundation que ainda decorre. Este resultado é particularmente relevante porque dada a natureza furtiva dos neutrinos eles carregam informação “virgem” — que não foi reprocessada por interacções fortuitas com outras partículas — sobre as condições em que foram emitidos, abrindo aos astrónomos uma nova janela para o estudo dos fenómenos de muito alta energia no Universo. A descoberta resulta de uma colaboração que envolveu cientistas de quase duas dezenas de observatórios que monitorizaram o fenómeno em diferentes bandas do espectro electromagnético e com detectores de partículas. Este tipo de colaboração, cada vez mais comum na astrofísica de altas energias, é designado por multi-messenger astrophysics. O painel do evento incluia cientistas de alguns desses observatórios como o IceCube (um observatório de neutrinos), o FERMI (um telescópio espacial de raios gama) e o MAGIC (um observatório de radiação de Cerenkov atmosférica devida a raios gama e raios cósmicos com origem extraterrestre).


A teoria prevê que grande quantidade de neutrinos (𝜈 e 𝜇 na imagem) muito energéticos devem ser produzidos, através de múltiplas interações entre partículas e radiação, nos jactos relativísticos que emanam das imediações do buraco negro supermaciço de um blazar.

A teoria prevê que grande quantidade de neutrinos (𝜈 e 𝜇 na imagem) muito energéticos devem ser produzidos, através de múltiplas interações entre partículas e radiação, nos jactos relativísticos que emanam das imediações do buraco negro supermaciço de um blazar.

No dia 22 de Setembro de 2017, o observatório de neutrinos IceCUBE, instalado sob um campo de gelo na Antártida, detectou a passagem de uma dessas partículas esquivas extremamente energética, proveniente de uma região do céu nas proximidades de Bellatrix (a estrela gama da constelação de Orionte). O IceCube-170922A, designação atribuída ao neutrino, desencadeou uma campanha de observação com recurso a vários telescópios na Terra e no espaço que detectaram um incremento significativo de actividade de um blazar, o TXS 0506+056, situado nessa região. Os blazars são núcleos de galáxias activas nos quais buracos negros supermaciços rodeados por um disco de matéria produzem uma quantidade de energia inimaginável, parte da qual é emitida através de jactos de partículas e radiação ao longo da nossa linha de visão.


O observatório de neutrinos IceCube, localizado na estação Amundsen-Scott, na Antártida. Crédito: Sven Lidstrom / NSF.
Alguns dias mais tarde, em 4 de Outubro, o observatório MAGIC observou também raios gama de energias superiores a 100 GeV durante as 12 horas em que monitorizou a posição do TXS 0506+056. Esta detecção foi feita com uma significância estatística superior a 5 sigma — i.e., a probabilidade de ser devida a uma flutuação aleatória nos dados é inferior a 1 em 3.5 milhões — o mínimo para uma detecção ser considerada fidedigna em astrofísica.


A estrutura do telescópio de neutrinos IceCube. Alguns neutrinos quando passam através do gelo colidem com átomos e geram pequenos lampejos que são detectados por sensores designados por Digital Optical Module (DOM). Estes sensores são colocados até quase 2.5 quilómetros de profundidade, espaçados 125 metros, ao longo de cabos inseridos em 86 furos no gelo. A detecção dos lampejos por vários sensores fornece informação não apenas sobre a energia do neutrino mas também sobre a sua trajectória. Crédito: IceCube Collaboration.
Entretanto, o estudo de dados recolhidos pelo Large Area Telescope do observatório FERMI, mostravam um incremento de 6 vezes no fluxo de raios gama provenientes do TXS 0506+056 entre os dias 15 e 27 de Setembro de 2017, um intervalo que inclui a data de detecção do IceCube-170922A. Outros observatórios de alta energia seguiram-se com detecções de actividade do blazar como o HESS, na Namíbia, o HAWC, no México e o VERITAS, nos Estados Unidos. Na região do visível a rede de telescópios ASAS-SN registou também um aumento de 0.5 magnitudes no brilho do TXS 0506+056 no mesmo período.


Os dois telescópios MAGIC no observatório de Roque Los Muchachos, em La Palma, Canárias. A colisão de raios gama de muito alta energia, provenientes de alguns dos fenómenos mais energéticos conhecidos no Universo, com átomos e moléculas na atmosfera terrestre dá origem a uma luz etérea designada por radiação de Cherenkov. O telescópios focam essa luz em detectores situados no topo do arco metálico. Crédito: Instituto de Astrofisica de Canarias.
Curiosamente, alertado para a actividade do blazar e da sua possível associação ao neutrino ultra energético detectado pelo IceCube por uma circular no Astronomer’s Telegram, inclui este objecto na minha lista de alvos numa sessão de astrofotografia na noite de 13 de Outubro de 2017. A imagem seguinte mostra o blazar TXS 0506+056, o núcleo da galáxia activa situada a uma distância ainda incerta mas sem dúvida na ordem dos milhares de milhões de anos-luz — sim, aquele “pontinho” de luz assinalado na imagem!


O blazar TXS 0506+056 fotografado pelo autor na noite de 13 de Outubro de 2017.
O IceCube-170922A tinha uma energia de 290 Tera-electrão-Volt (1 TeV = 1000000000000 eV), quase 50 vezes superior às energias atingidas pelos protões acelerados no Large Hadron Collider, no CERN. Um estudo posterior do arquivo de dados do IceCube identificou mais uma dúzia de neutrinos provenientes da mesma região do céu em 2014/15. Há poucos processos físicos capazes de produzir neutrinos com tais energias o que, juntamente com a coincidência espacial e temporal do incremento de actividade do blazar TXS 0506+056, levou os cientistas a concluir que o IceCube-170922A terá tido origem nesse núcleo galáctico activo remoto, tendo viajado cerca de 3.7 mil milhões de anos pelo espaço intergaláctico até atingir o nosso planeta.

 

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