770: INTEGRAL JUNTA-SE À CAMPANHA MULTI-MENSAGEIRA PARA ESTUDAR FONTES DE NEUTRINOS DE ALTA ENERGIA

Os blazares são os núcleos centrais de galáxias gigantes que albergam um buraco negro super-massivo no coração, onde a matéria espiralada forma um disco giratório quente que gera enormes quantidades de energia, junto com um par de jactos relativísticos que apontam na direcção da Terra.
Nesta impressão de artista, o blazar emite neutrinos e raios-gama, como no caso do evento IceCube-170922A, registo no dia 22 de Setembro de 2017. Nesta ocasião, o IceCube no Pólo Sul detectou um neutrino enquanto ao mesmo tempo raios-gama, oriundos da mesma direcção no céu, foram detectados por outros telescópios na Terra e no espaço.
Crédito: IceCube/NASA

Uma equipa internacional de cientistas encontrou a primeira evidência de uma fonte de neutrinos de alta energia: uma galáxia activa, ou blazar, a 4 mil milhões de anos-luz da Terra. Após uma detecção pelo Observatório de Neutrinos IceCube, a 22 de Setembro de 2017, o satélite INTEGRAL da ESA juntou-se a uma colaboração de observatórios no espaço e no solo que vigiava a fonte de neutrinos, anunciando o emocionante futuro da astronomia multi-mensageira.

Os neutrinos são partículas “fantasmagóricas”, quase sem massa, que viajam essencialmente de forma livre através do espaço, perto da velocidade da luz. Apesar de serem algumas das partículas mais abundantes no Universo – 100 biliões passam através dos nossos corpos a cada segundo – estas partículas subatómicas, electricamente neutras, são notoriamente difíceis de detectar porque interagem com a matéria incrivelmente raramente.

Enquanto os neutrinos primordiais foram criados durante o Big Bang, muitas dessas partículas ilusórias são rotineiramente produzidas em reacções nucleares através do cosmos. A maioria dos neutrinos que chegam à Terra derivam do Sol, mas acredita-se que aqueles que nos atingem com as energias mais altas provêm das mesmas fontes que os raios cósmicos – partículas altamente energéticas originárias de fontes exóticas fora do Sistema Solar.

Ao contrário dos neutrinos, os raios cósmicos são partículas carregadas e, assim, o seu caminho é torcido por campos magnéticos, mesmo os mais fracos. A carga neutra dos neutrinos, em vez disso, significa que estes não são afectados pelos campos magnéticos e, como eles passam quase inteiramente através da matéria, podem ser usados para traçar um caminho recto até à sua origem.

Agindo como “mensageiros”, os neutrinos transportam directamente informações astronómicas dos confins do Universo. Nas últimas décadas, foram construídos vários instrumentos na Terra e no espaço para descodificar as suas mensagens, embora detectar estas partículas não seja tarefa fácil. Em particular, a fonte de neutrinos de alta energia, até agora, não foi comprovada.

No dia 22 de Setembro de 2017, um desses neutrinos de alta energia chegou ao Observatório de Neutrinos IceCube, no Pólo Sul. O evento foi chamado IceCube-170922A.

O observatório IceCube, que engloba um quilómetro cúbico de gelo cristalino e profundo, detecta neutrinos através das suas partículas secundárias, muões. Estes muões são produzidos nas raras ocasiões em que um neutrino interage com a matéria na vizinhança do detector e criam rastros com quilómetros de comprimento, à medida que passam pelas camadas de gelo da Antárctida. Os seus longos caminhos significam que a sua posição pode ser bem definida, e a origem parental do neutrino pode ser fixada no céu.

Durante o evento de 22 de Setembro, um muão em travessia depositou 22 TeV de energia no detector IceCube. A partir disso, os cientistas estimaram a energia do neutrino parental em torno de 290 TeV, indicando uma possibilidade de 50% de ter uma origem astrofísica além do Sistema Solar.

Quando a origem de um neutrino não pode ser identificada de maneira robusta pelo IceCube, como neste caso, são necessárias observações de múltiplos comprimentos de onda para investigar a sua fonte. Assim, após a detecção, os cientistas do IceCube circularam as coordenadas no céu da origem do neutrino, inferidas a partir das suas observações, para uma rede mundial de observatórios terrestres e espaciais que trabalham em todo o espectro electromagnético.

Estes incluíram o telescópio espacial de raios-gama Fermi da NASA e os telescópios MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) em La Palma, nas Ilhas Canárias, que observou esta parte do céu e encontrou o blazar conhecido, TXS 0506 + 056, num estado de “cintilação” – um período de intensa emissão de alta energia – ao mesmo tempo que o neutrino foi detectado no Pólo Sul.

Os blazares são os núcleos centrais de galáxias gigantes que albergam um buraco negro super-massivo no coração, onde a matéria espiralada forma um disco giratório quente que gera enormes quantidades de energia, junto com um par de jactos relativísticos.

Estes jactos são colunas colossais que irradiam radiação, fotões e partículas – incluindo neutrinos e raios cósmicos – a dezenas de anos-luz do buraco negro central, a velocidades muito próximas da velocidade da luz. Uma característica específica dos blazares é que um desses jactos aponta na direcção da Terra, fazendo com que a sua emissão pareça excepcionalmente brilhante.

Cientistas de todo o mundo começaram a observar este blazar – a fonte provável do neutrino detectado pelo IceCube – numa variedade de comprimentos de onda, de ondas de rádio a raios-gama de alta energia. O observatório de raios gama INTEGRAL da ESA fez parte desta colaboração internacional.

“Este é um marco muito importante para entender como os neutrinos de alta energia são produzidos”, diz Carlo Ferrigno, do Centro de Dados Científicos INTEGRAL da Universidade de Genebra, na Suíça.

“Houve alegações anteriores de que as explosões de blazar estavam associadas à produção de neutrinos, mas esta, a primeira confirmação, é absolutamente fundamental. Este é um período empolgante para a astrofísica”, acrescenta ele.

O INTEGRAL, que examina o céu em raios-X fortes e raios-gama suaves, também é sensível a fontes transitórias de alta energia em todo o céu. No momento em que o neutrino foi detectado, não registou nenhuma explosão de raios-gama do local do blazar, então os cientistas foram capazes de descartar emissões imediatas de certas fontes, como uma explosão de raios-gama.

Após o alerta de neutrino do IceCube, o INTEGRAL apontou para esta área do céu em várias ocasiões, entre 30 de Setembro e 24 de Outubro de 2017, com os seus instrumentos de campo amplo, e não observou o blazar num estado de cintilação na gama de raios-X fortes ou raios-gama suaves.

O facto do INTEGRAL não ter detectado a fonte nas observações de acompanhamento forneceu informações significativas sobre esse blazar, permitindo que os cientistas colocassem um limite superior útil na sua produção de energia durante esse período.

“O INTEGRAL foi importante para restringir as propriedades deste blazar, mas também para permitir que os cientistas excluíssem outras fontes de neutrinos, como explosões de raios-gama”, explica Volodymyr Savchenko, do Centro de Dados Científicos INTEGRAL, que liderou a análise dos dados do INTEGRAL.

Com instalações espalhadas pelo globo e no espaço, os cientistas têm agora a capacidade de detectar uma infinidade de “mensageiros cósmicos”, percorrendo vastas distâncias a velocidades extremamente altas, na forma de luz, neutrinos, raios cósmicos e até ondas gravitacionais.

“A capacidade de fazer com que os telescópios alcancem uma descoberta utilizando uma variedade de comprimentos de onda, em cooperação com um detector de neutrinos como o IceCube, é um marco ao qual os cientistas chamam de astronomia multi-mensageira”, diz Francis Halzen da Universidade de Wisconsin-Madison, EUA, cientista-líder do Observatório de Neutrinos IceCube.

Com a combinação das informações recolhidas por cada um desses instrumentos sofisticados para a investigação de uma ampla gama de processos cósmicos, a era da astronomia multi-mensageira entrou verdadeiramente na fase da exploração científica.

Os telescópios espaciais de alta energia da ESA estão totalmente integrados nesta rede de grandes colaborações multi-mensageiras, como demonstrado durante a recente detecção de ondas gravitacionais com uma correspondente emissão de raios-gama – esta última detectada pelo INTEGRAL – libertadas pela colisão de duas estrelas de neutrões e na subsequente campanha, com contribuições do INTEGRAL, bem como do Observatório de raios-X XMM-Newton.

Reunir recursos destes e de outros observatórios é fundamental para o futuro da astrofísica, promovendo a nossa capacidade de descodificar as mensagens que nos chegam de todo o Universo.

“O INTEGRAL é o único observatório disponível no domínio de raios-X fortes e raios-gama que tem a capacidade de realizar imagens e espectroscopia dedicadas, além de ter uma visão instantânea do céu a qualquer momento”, realça Erik Kuulkers, cientista do projecto INTEGRAL na ESA.

“Depois de mais de 15 anos de operações, o INTEGRAL ainda está na vanguarda da astrofísica de alta energia.”

Astronomia On-line
17 de Julho de 2018

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756: Descoberta origem das “partículas-fantasma” que atingiram a Antárctida o ano passado

Felipe Pedreros / IceCube / NSF
O IceCube Neutrino Observatory, na Estação Científica Internacional Scott-Amudsen, no Polo Sul

Uma equipa internacional de cientistas descobriu no espaço profundo a origem dos neutrinos – partículas subatómicas capazes de percorrer milhões de anos-luz e atravessar toda a matéria – que foram detectados em Setembro na Antárctida.

Segundo anuncia uma equipa de cientistas, em um estudo publicados esta quinta-feira na revista Science, os neutrinos detectados no Pólo Sul em Setembro tiveram origem numa galáxia elíptica a quatro mil milhões de anos-luz da Terra, que gira em torno de um buraco negro super-massivo – um fenómeno conhecido como ‘blazar‘.

Os neutrinos foram registados pelo detector de partículas Icecube, uma rede de mais de 5.000 sensores de luz dispostos numa grelha a mais de um quilómetro de profundidade, enterrado no gelo do Pólo Sul.

Quando um neutrino interage com o núcleo de um átomo, cria uma segunda partícula que, por sua vez, gera um cone de luz azul que é detectado pelo Icecube. Como a segunda partícula e a luz que gera mantêm o mesmo trajecto do neutrino, é possível aos cientistas detectar onde começou esse trajecto.

O Icecube está sempre a examinar o céu, mas na maior parte dos casos, os neutrinos que detecta são partículas de baixa energia, criadas por colisões de partículas subatómicas provenientes de raios cósmicos com núcleos de átomos na atmosfera terrestre.

Apesar de ser o maior do mundo no seu género, desde que começou a funcionar em 2013, o Icecube só conseguiu detectar 82 neutrinos de alta energia. Para identificar a origem do neutrino que atravessou o Universo, foi usada uma rede de instituições e investigadores, incluindo os que trabalham com alguns dos maiores telescópios do mundo.

A ‘blazar’ identificada já é conhecida dos astrónomos, que a designam apenas por uma referência alfanumérica, e caracteriza-se por gerar jactos de partículas altamente energéticas que apontam para a Terra.

Os neutrinos, que os cientistas designam como “partículas fantasma” porque quase não têm massa, são altamente voláteis, praticamente não interagem com a matéria e não são afectadas por campos magnéticos. É isso que explica que os misteriosos neutrinos possam percorrer distâncias inimagináveis sem nunca mudar de direcção.

Foi em 1912 que o físico austríaco Victor Hess provou que as partículas ionizadas que os cientistas encontravam na atmosfera vinham do espaço.

A carga energética das partículas dos raios cósmicos podem ser até centenas de milhões de vezes mais poderosas do que os seres humanos conseguem criar, como as que emanam do acelerador de partículas do CERN, na Suíça.

Na Via Láctea não se conhece nada que consiga gerar forças tão poderosas, e a origem dos neutrinos detectados na Terra era até agora um mistério.

ZAP // Lusa

Por Lusa
12 Julho, 2018

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