• Começa com um estrondo

IceCube encontra neutrinos a 47 milhões de anos-luz de distância

IceCube acabou de encontrar uma galáxia ativa no Universo próximo, a 47 milhões de anos-luz de distância, através de suas emissões de neutrinos: uma novidade cósmica.

Principais conclusões

• Ao longo do século 20, apenas quatro fontes conhecidas geraram neutrinos: o Sol, a atmosfera da Terra, decaimentos radioativos e uma supernova próxima em 1987.
• No entanto, os observatórios de neutrinos avançaram tremendamente no século 21, liderados pelo IceCube: o detector mais sensível do mundo, encontrado no pólo sul.
• Com 10 anos de observações cumulativas, uma galáxia próxima agora se destaca: Messier 77. Agora foi vista não apenas na luz, mas, com 79 eventos em excesso, também em neutrinos.

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Os neutrinos são, em muitos aspectos, as espécies de partículas conhecidas mais difíceis de detectar. Produzido onde quer que ocorram reações nucleares ou decaimentos radioativos, você teria que fazer uma barreira de chumbo com aproximadamente um ano-luz de espessura para ter uma chance de 50/50 de parar um neutrino em movimento. Embora existam muitos lugares onde os neutrinos são produzidos – no Big Bang, em estrelas distantes, em cataclismos estelares, etc. na alta atmosfera da Terra.

Ainda assim, o observatório de neutrinos IceCube, localizado nas profundezas do gelo no Pólo Sul, revolucionou a ciência da astronomia de neutrinos. Desde 2010, é sensível a interações de neutrinos em mais de um quilômetro cúbico de gelo glacial, permitindo-nos detectar neutrinos de todo o Universo, inclusive de galáxias ativas cujos jatos apontam diretamente para nós: blazares. Agora, em um neutrino primeiro, detectou-se 79 eventos em excesso vindos de uma galáxia ativa próxima e obscurecida pela poeira: Messier 77. Esta galáxia, a apenas 47 milhões de anos-luz de distância, é a primeira no Universo próximo a ser detectada através assinatura de neutrinos, levando a astronomia para um território novo e inexplorado.

A galáxia Messier 77. vista na luz visível à esquerda e em comprimentos de onda não visíveis à direita, é uma estranha galáxia espiral dupla com um núcleo empoeirado e ativo. Agora, acabou de se tornar a fonte de neutrinos extragalácticos mais próxima já descoberta.

Em teoria, há mais no Universo do que apenas a luz que observamos. Existe todo um Universo de alta energia, cheio de objetos astrofísicos – alguns grandes, outros pequenos; alguns muito maciços, outros mais modestos; alguns extremamente densos, outros mais difusos - que podem acelerar a matéria de todos os tipos a condições extraordinárias. Eles podem produzir não apenas luz de alta energia, como raios X e raios gama, mas também partículas e antipartículas de todas as variedades: prótons, núcleos, elétrons, pósitrons, bem como partículas instáveis ​​que estão destinadas ao decaimento.

Muitos processos nucleares, incluindo reações de fusão e fissão, bem como uma ampla variedade de decaimentos, produzirão neutrinos e antineutrinos como parte de seu conteúdo de partículas. Isso é extremamente interessante do ponto de vista astrofísico, pois o próprio fato de os neutrinos terem uma seção transversal de interação tão pequena com a matéria normal significa que eles podem viajar amplamente pelo Universo, mesmo através de ambientes densos e ricos em matéria, de uma maneira praticamente imparável. Além do fato de que o fluxo de neutrinos se espalha à medida que nos afastamos cada vez mais da fonte, os neutrinos (e antineutrinos) que impactam a Terra são muito semelhantes ao que esperaríamos ver se não houvesse matéria interferente ao longo do maneira de todo.

Probabilidades de oscilação de vácuo para neutrinos de elétron (preto), múon (azul) e tau (vermelho) para um conjunto escolhido de parâmetros de mistura, começando a partir de um neutrino de elétron inicialmente produzido. Uma medição precisa das probabilidades de mistura em linhas de base de diferentes comprimentos pode nos ajudar a entender a física por trás das oscilações de neutrinos e pode revelar a existência de outros tipos de partículas que se acoplam às três espécies conhecidas de neutrinos.

A matéria pela qual os neutrinos (e antineutrinos) passam, na verdade, desempenha apenas um papel importante: eles podem alterar o tipo de “sabor” de neutrino que se observa em um detector. Existem três tipos diferentes de neutrinos que podemos medir: neutrinos de elétron, múon e tau. Sempre que os neutrinos são produzidos pela primeira vez, o sabor específico do neutrino que é necessário para conservar um número quântico específico – número da família lépton – é aquele que é produzido.

No entanto, à medida que os neutrinos viajam pelo Universo, eles interagem com outros quanta, tanto reais quanto virtuais. Através dessas interações, eles podem oscilar de uma espécie para outra. Portanto, quando chegam ao seu detector, o “sabor” do neutrino que chega pode ser diferente do sabor que foi criado inicialmente. É por isso que, idealmente, você construiria detectores de neutrinos que são sensíveis a todos os três sabores possíveis e, além disso, podem distinguir entre eles.

Embora as chuvas de raios cósmicos sejam comuns de partículas de alta energia, são principalmente os múons que chegam à superfície da Terra, onde são detectáveis ​​​​com a configuração correta. Neutrinos também são produzidos, alguns dos quais podem passar pela Terra, mas neutrinos do Sol e de qualquer linha de luz também chegarão a qualquer detector subterrâneo. Os neutrinos podem ser produzidos de várias maneiras, mas sempre envolvem uma interação nuclear fraca e podem oscilar de um sabor para outro quando interagem com a matéria.

Os detectores de neutrinos originais que construímos eram sensíveis apenas ao sabor de elétrons do neutrino: o único que conhecíamos inicialmente. Quando começamos a medir neutrinos de uma fonte próxima que tínhamos certeza de que os estaria criando, o Sol, percebemos imediatamente que estávamos detectando apenas cerca de um terço do total de neutrinos que prevíamos que deveria estar lá.

Esse déficit de neutrinos solares só foi resolvido décadas depois, quando combinamos grandes conjuntos de dados de experimentos de neutrinos solares, de observações de neutrinos de reatores e linhas de luz e de experimentos de neutrinos atmosféricos – ou seja, experimentos que mediram os neutrinos que surgem de raios cósmicos de alta energia atingindo a atmosfera da Terra - todos apontavam para a mesma conclusão. Esses neutrinos vinham em três variedades, eram todos maciços e, sempre que uma medição ou interação com outra partícula quântica ocorria, sempre deveria assumir um desses três sabores: elétron, múon e tau.

O remanescente da supernova 1987a, localizado na Grande Nuvem de Magalhães a cerca de 165.000 anos-luz de distância, é revelado nesta imagem do Hubble. Foi a supernova observada mais próxima da Terra em mais de três séculos, e tem o objeto mais quente conhecido, em sua superfície, atualmente conhecido na Via Láctea. Sua temperatura de superfície agora é estimada em cerca de ~ 600.000 K, e foi a primeira fonte de neutrinos já detectada além do nosso próprio Sistema Solar.

Na verdade, as únicas exceções a esses tipos de neutrinos que vimos:

• neutrinos criados no Sol,
• neutrinos criados por uma reação de laboratório, como um acelerador de partículas ou um reator nuclear,
• e neutrinos criados na atmosfera da Terra, decorrentes de chuvas de raios cósmicos,

vieram dos próprios cataclismos astrofísicos de alta energia. O primeiro foi visto em 1987, quando a luz de uma supernova chegou de apenas 165.000 anos-luz de distância: em uma galáxia satélite nossa conhecida como Grande Nuvem de Magalhães.

Embora houvesse apenas cerca de 20 neutrinos chegando através de três detectores separados, eles eram coincidentes em tempo, energia e direção com os neutrinos produzidos a partir de uma reação de supernova de colapso de núcleo. Rapidamente percebemos que as reações de criação de neutrinos estavam ocorrendo em todo o Universo e que poderíamos detectá-las com volumes suficientemente grandes de material para colidirem e detectores suficientemente sensíveis ao redor deles em termos de momento e resolução de energia. Isso foi parte da motivação para construir o detector de neutrinos mais sensível da Terra: IceCube.

Quando um neutrino interage no gelo antártico claro, produz partículas secundárias que deixam um rastro de luz azul enquanto viajam pelo detector IceCube. IceCube é uma série de 86 cordas embutidas no gelo, capazes de detectar os fótons de Cherenkov produzidos por chuvas de partículas decorrentes de interações características de neutrinos.

Composto por 86 detectores de cordas que descem em um quilômetro cúbico de gelo no Pólo Sul, IceCube tornou-se totalmente operacional há mais de uma década: em maio de 2011. Quando neutrinos - de qualquer fonte - atingem o gelo glacial, eles produzem partículas de todas as variedades, desde que haja energia suficiente para criá-las via E = mc² . Embora todas essas partículas devam viajar a (se não tiverem massa) ou abaixo (se forem massivas) a velocidade da luz, essa restrição se aplica à velocidade da luz no vácuo: ou seja, no espaço vazio.

Mas como essas partículas estão viajando através do gelo, e não do vácuo do espaço vazio, elas podem, e muitas vezes o fazem, viajar mais rápido que a luz neste meio em particular, onde a velocidade da luz é apenas cerca de ¾ de seu valor no vácuo. Se uma partícula é criada movendo-se a mais de 76% da velocidade da luz no vácuo, ela irá interagir com as partículas (de gelo) ao seu redor, emitindo uma mistura de luz azul e ultravioleta em forma cônica, o sinal característico de Radiação Cherenkov . Ao reconstruir os vários sinais de radiação de Cherenkov, podemos reconstruir especificamente onde e com que energias essas partículas foram criadas, permitindo-nos reconstruir os eventos de neutrinos que os desencadearam.

Este mapa mostra os candidatos a neutrinos de alta energia, marcados como “eventos de alerta”, vistos pelo IceCube. A escala de cores mostra a “sinalidade” de cada evento, que quantifica a probabilidade de cada evento ser um neutrino astrofísico em vez de um evento de fundo da atmosfera da Terra.

Desde 2011, quando o detector completo se tornou operacional, certos sinais astrofísicos que nunca haviam sido identificados por meio de suas assinaturas de neutrinos antes de repente apareceram no IceCube. O sinal mais espetacular veio de blazares de raios gama: TXS 0506+056 , o mais famoso. Um blazar está no coração de uma galáxia ativa, onde o núcleo galáctico consiste em um buraco negro supermassivo que se alimenta ativamente. Normalmente, esses buracos negros produzem jatos de radiação colimada de alta energia que são emitidas perpendicularmente ao disco de acreção ao redor do buraco negro. Mas no caso de um blazar, esse jato aponta diretamente para nós.

Desde essa primeira detecção, dois outros blazares foram vistos em neutrinos também pelo IceCube: PKS 1424+240 e GB6 J1542+6129. Embora suas assinaturas de neutrinos fossem menos poderosas e robustas do que o primeiro blazar detectado pelo IceCube, eles ainda se destacavam acima do fundo difuso de neutrinos também visto pelo IceCube. Tudo o que você precisa, se quiser identificar uma fonte física para um sinal que está vendo, é um sinal que se destaque acima do ruído de fundo (e outros fundos) do seu experimento. O fato de termos também um mapa de raios gama do céu, assim como outros comprimentos de onda, nos ajudou a identificar essas fontes como as origens desses neutrinos de alta energia.

Nesta representação artística, um blazar está acelerando prótons que produzem píons, que produzem neutrinos e raios gama quando decaem. Fótons de baixa energia também são produzidos. Embora a ciência da astronomia de neutrinos para neutrinos gerados além do nosso próprio Sistema Solar tenha começado apenas em 1987, já avançamos ao ponto de detectar neutrinos a bilhões de anos-luz de distância, começando com o blazar TXS 0506+056.

Mesmo a bilhões de anos-luz de distância, alguns desses blazares emitiram assinaturas de neutrinos que se destacaram espetacularmente. Mas entre o muito, muito próximo e o muito, muito longe, havia uma tremenda lacuna. Muitos esperavam que o IceCube fosse sensível a neutrinos produzidos por supernovas, mas o único sinal suspeito já visto mostrou ser apenas uma coincidência. O IceCube seria realmente capaz de detectar neutrinos produzidos por meio de uma supernova de colapso de núcleo, mas teria que estar muito perto: mais perto do que qualquer supernova que ocorreu desde 2011.

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No entanto, houve um grande número de eventos candidatos a neutrinos de alta energia vistos pelo IceCube: conhecidos como “eventos de alerta”, pois ofereciam a possibilidade de serem fontes astrofísicas de neutrinos, em vez de um evento de fundo produzido na atmosfera da Terra. Uma estratégia tem sido tentar correlacionar esses eventos com possíveis fontes de alta energia no céu: ou fontes conhecidas de luz de alta energia, de buracos negros supermassivos ou de partículas de raios cósmicos de alta energia, que podem se correlacionar com negros supermassivos. buracos também. Essas observações colocaram as restrições mais rígidas até o momento sobre a abundância de fontes astrofísicas de neutrinos em todo o Universo.

Esta imagem composta da galáxia Messier 77 é uma das galáxias mais próximas e mais brilhantes a conter um buraco negro supermassivo ativo e em crescimento. Ventos fortes afastam a matéria do centro galáctico, que é obscurecido pela poeira e também emite raios-X e raios gama. Juntamente com dados ópticos e de rádio, esta galáxia é vista emitindo emissões de todo o espectro eletromagnético.

Mas em um novo estudo marcante, a colaboração IceCube viu algo que surpreendeu muitos: uma fonte “intermediária” de neutrinos astrofísicos, que surge de uma galáxia relativamente próxima a apenas 47 milhões de anos-luz de distância. A galáxia Messier 77 – também conhecida como NGC 1068 – tem uma série de características que a tornam extremamente interessante para os astrônomos.

• É uma galáxia de “espiral dupla”, com uma espiral externa difusa em torno da espiral principal: evidência de uma interação gravitacional recente.
• Tem uma região nuclear empoeirada, com cerca de 12 anos-luz de diâmetro, que emite um intenso jato de rádio e fortes linhas de emissão.
• Também está emitindo raios-X desse núcleo: a região central.

De fato, todos esses fatos indicam atividade do buraco negro central, tornando esta uma galáxia com um núcleo galáctico ativo. Na verdade, esta galáxia foi a primeira de uma classe inteira de galáxias ativas conhecidas como Galáxias Seyfert , como o astrônomo Carl Seyfert identificou pela primeira vez esta classe com Messier 77 como o arquétipo. Messier 77 tem um buraco negro supermassivo que é cerca de quatro vezes mais massivo que o da Via Láctea; tem cerca de 170.000 anos-luz de diâmetro; e apesar de sua aparência, não é de frente como você pode pensar, mas está inclinado para nossa linha de visão em cerca de 40 graus. Ele se afasta de nós a ~1.100 km/s, apanhado na expansão do Universo.

A localização de Messier 77 (NGC 1068) juntamente com o excesso de sinal de neutrinos identificado como vindo dele, além do fundo difuso de neutrinos visto em outros lugares. Esta evidência marca a primeira fonte de neutrinos não blazar e não supernova vista fora do nosso Sistema Solar.

Mas agora há um novo motivo para se interessar pelo Messier 77: agora foi identificado, graças ao IceCube, como uma fonte extragaláctica de neutrinos ! Foi a localização mais significativa de neutrinos do múon observado acima do fundo difuso e fora das outras fontes de neutrinos extragalácticos conhecidos. Com 79 neutrinos em excesso em altas energias (mais de um trilhão de elétron-volts) detectados sobre o fundo de neutrinos atmosféricos e astrofísicos difusos, agora pode-se afirmar que estamos, de fato, vendo neutrinos – regularmente e ao longo de vários anos – surgindo de uma galáxia ativa próxima.

Além disso, a equipe do IceCube, pela primeira vez, foi capaz de estimar o fluxo de neutrinos vindo de uma galáxia Seyfert como esta: cerca de 16 neutrinos de múons, por TeV (tera-elétron-volt) por metro quadrado por ano, vindo de esta fonte. A maioria dos neutrinos que chegaram estavam na faixa de energia de 1,5 TeV a 15 TeV, talvez indicando o pico de produção de energia de neutrinos neste ambiente astrofísico. Se assumirmos que esta galáxia está, de fato, a 47 milhões de anos-luz de distância e que os outros dois tipos de neutrinos vêm em quantidades iguais, podemos usar esses dados para fazer a primeira estimativa de quanta energia é emitida de uma galáxia. galáxia empoeirada e ativa na forma de neutrinos.

O fluxo difuso de neutrinos das três espécies diferentes de neutrinos, juntamente com o fluxo de neutrinos do blazar mais bem medido (laranja) e o AGN emissor de neutrinos mais próximo (azul). Finalmente, uma imagem mais completa dos neutrinos cósmicos está finalmente emergindo.

Notavelmente, o número que obtemos é cerca de 750 milhões de vezes a energia emitida pelo Sol: tudo na forma de neutrinos, todos de uma galáxia ativa cujo buraco negro supermassivo central pesa apenas cerca de 15 milhões de vezes a massa do Sol. Para comparação, porque esse núcleo galáctico ativo também é uma fonte emissora de raios gama, isso é dezoito vezes mais energia na forma de neutrinos do que é emitida na forma de raios gama. No entanto, isso pode não ser evidência de uma diferença inerente tão grave; os neutrinos não interagem com o meio empoeirado ao redor, mas os raios gama sim, fornecendo uma possível razão pela qual os raios gama podem ser suprimidos.

Talvez ainda mais emocionante, isso nos diz que podemos querer olhar para outra galáxia próxima do tipo Seyfert – NGC 4151 , que está a apenas 52 milhões de anos-luz de distância – como outra possível fonte extragaláctica de neutrinos. Ele nos diz que, no Universo próximo, há no máximo um núcleo galáctico ativo emissor de neutrinos semelhante ao Messier 77 em cada caixa cúbica ~ 70 milhões de anos-luz de lado. E, finalmente, nos diz que existem pelo menos duas populações de fontes de neutrinos cósmicos: de galáxias ativas empoeiradas e de blazares, e elas têm densidades, energias e luminosidades diferentes. IceCube, finalmente, está nos mostrando o que há no Universo de neutrinos de alta energia. Combinado com radiação eletromagnética, detectores de raios cósmicos e observatórios de ondas gravitacionais, o Universo multi-mensageiro está finalmente entrando em foco.

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