Detector no Polo Sul pode ter dado pista de misterioso evento cósmico

julho 30, 2018 por MarioLima

Uma única partícula subatômica detectada no Polo Sul em setembro do ano passado está ajudando cientistas a resolver um grande mistério cósmico: qual a fonte dos raios cósmicos eletricamente carregados, as partículas mais energéticas da natureza.

Essa descoberta pode, por sua vez, ajudar os cientistas a identificar a ainda misteriosa fonte de prótons e núcleos atômicos que chegam à Terra do espaço, chamados coletivamente de raios cósmicos. Já que os mesmos mecanismos que produzem raios cósmicos também devem produzir neutrinos de alta energia.

Várias equipes de pesquisadores de todo o mundo descrevem a fonte de neutrinos em pelo menos sete artigos publicados no mês de julho.

“Tudo aponta para isso como a fonte de raios cósmicos de altíssima energia – uma fonte maravilhosa”, diz Elisa Resconi, física de astropartículas da Universidade Técnica de Munique, na Alemanha.

Astrofísicos propuseram uma série de cenários para fenômenos que poderiam produzir tanto neutrinos de alta energia quanto seus correspondentes eletricamente carregados: prótons e núcleos atômicos, chamados coletivamente de raios cósmicos. Mas até agora, eles não conseguiram rastrear inequivocamente qualquer uma dessas partículas de volta à sua fonte. Isso é especialmente difícil com os raios cósmicos, cujas cargas elétricas fazem seus caminhos se curvarem a caminho da Terra, enquanto os neutrinos viajam em linhas retas.

A história começa no dia 22 de setembro de 2017, quando uma partícula carregada eletricamente, chamada muon, passou pela camada de gelo da Antártida, próxima da velocidade da luz. O IceCube – um conjunto de mais de 5.000 sensores enterrados em um kilometro cúbico de gelo – detectou flashes de luz que o múon produziu em seu rastro. A maioria dos neutrinos detectados por IceCube se origina nas proximidades, gerados por raios cósmicos atingindo a atmosfera superior da Terra.

Os pesquisadores do IceCube eliminam aqueles que usam uma variedade de métodos, deixando os muito poucos neutrinos de energia muito altos, acima de 30 trilhões de elétron-volts (TeV). Essa partícula de alta energia parecia emergir abaixo do detector – uma orientação que indicava que era o produto de decaimento de um neutrino que vinha de baixo do horizonte. Os muons só podem viajar tão longe dentro da matéria, enquanto os neutrinos frequentemente passam pelo planeta inteiro sem impedimentos; a maioria dos que o IceCube detecta se chocou com uma partícula dentro da Terra para produzir um muon.

Em poucos segundos, uma rede de computadores da Fundação Nacional de Ciência dos EUA na Estação do Pólo Sul Amundsen-Scott, que fica no topo do ponto mais ao sul da Terra, reconstruiu o caminho preciso da partícula e reconheceu que o muon provinha de um neutrino altamente energético; 43 segundos após o evento, a estação enviou um alerta automatizado para uma rede de astrônomos através de um link de satélite. Ele marcou o neutrino como IceCube-170922A.

Depois de receber o alerta, Derek Fox, astrofísico da Universidade Estadual da Pensilvânia, rapidamente garantiu seu tempo de observação no observatório de raios-X Swift, que orbita a Terra. Fox criou o sistema de alerta automatizado dois anos antes, precisamente na esperança de que os pesquisadores pudessem acompanhar eventos como esse.

Ele e sua equipe encontraram nove fontes de raios-X de alta energia perto de onde o neutrino tinha vindo. Entre eles estava um objeto chamado TXS 0506+056. Um blazar, uma galáxia com um buraco negro supermassivo no centro e uma fonte conhecida de raios-GAMA. Em um blazar, o buraco negro leva gás a temperaturas de milhões de graus e dispara de seus pólos em dois jatos altamente colimados, um dos quais apontou na direção do Sistema Solar.

Nos dias seguintes, outra equipe inspecionou dados do Large Area Telescope (LAT) em conjunto com o Telescópio Espacial Fermi de Raios-Gama da NASA. O LAT varre constantemente o céu e, entre outras coisas, monitora cerca de 2.000 blazares. Esses objetos passam por períodos de atividade aumentada que podem durar semanas ou meses, durante os quais se tornam excepcionalmente brilhantes.

“Quando olhamos para a região da qual o IceCube disse que o neutrino veio, notamos que esse blazar estava brilhando mais do que nunca”, disse Regina Caputo, astrofísica do Centro de Vôo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, Maryland, que é Coordenadora de análise do Fermi-LAT.

Os pesquisadores do IceCube também analisaram quase uma década de dados para ver se um excesso de neutrinos de alta energia já havia fluído do mesmo local antes. Eles encontraram um período de 150 dias no final de 2014 e no início de 2015, quando o IceCube detectou cerca de 13 neutrinos a mais do que o normal daquele local.

Ainda não está claro se o TXS 0506+056 estava brilhando naquele momento, mas “o evento de arquivamento foi muito mais interessante” do que a detecção recente, diz o investigador principal do IceCube, Francis Halzen, da Universidade de Wisconsin, em Madison.

Conhecidos como raios cósmicos de altíssima energia, essas partículas têm um milhão de vezes mais energia do que as produzidas em um acelerador de partículas na Terra, mas o que as impulsiona para essas energias colossais é desconhecido. Os suspeitos incluem: estrelas de nêutrons, explosões de raios gama, hipernovas e radiação expelida por buracos negros no centro de algumas galáxias, mas qualquer que seja a fonte, os neutrinos de alta energia são um provável subproduto. Se a equipe do IceCube estiver certa, os blazars podem ser a primeira fonte confirmada desses raios cósmicos.

Os pesquisadores esperam que este seja apenas o primeiro de muitos eventos deste tipo. Eles estão especialmente ansiosos para detectar neutrinos juntamente com ondas gravitacionais. A célebre colisão de duas estrelas de nêutrons que foi descoberta usando ondas gravitacionais em agosto de 2017 também deve ter produzido neutrinos, mas a IceCube não detectou nenhuma.