Cientistas encontraram a fonte de neutrinos mais poderosa já detectada

Agora, um novo estudo foi publicado Jornal de Cosmologia e Física de Astropartículas (JCAP) sugerindo que a partícula pode ter origem em blazares, alguns dos objetos mais extremos do universo. Bluzars são núcleos galácticos ativos alimentados por buracos negros supermassivos que disparam jatos massivos de plasma diretamente em direção à Terra.

Cientistas procuram uma fonte recorde de neutrinos

O neutrino foi detectado em 13 de fevereiro de 2023 pelo KM3NeT/ARCA, um grande observatório de neutrinos localizado nas profundezas da costa da Sicília. Curiosamente, os detectores ainda estão em desenvolvimento. No momento da descoberta, apenas 21 linhas de detecção estavam operacionais, representando cerca de 10% do tamanho final planeado do observatório.

Mesmo com sua configuração parcial, o detector capturou um sinal diferente de tudo que os cientistas já haviam visto antes.

Os pesquisadores abordaram o mistério da mesma forma que os investigadores forenses examinam as pistas da cena do crime. Começando com uma explicação possível, eles criaram simulações e compararam os resultados com observações reais.

Uma ideia importante é que os neutrinos vêm de uma classe especial de blazares capazes de acelerar partículas a energias extremas.

“Existem várias explicações possíveis para a origem destas partículas”, explicou Maryam Bendahmann, investigadora do INFN Nápoles e membro da colaboração KM3NeT, entre os autores do estudo, que conta com centenas de colaboradores. “Por exemplo, foi proposto que os raios cósmicos de energia ultra-alta interagem com a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, a luz remanescente do universo primitivo, para produzir tais neutrinos. Mas existe também a possibilidade de que os neutrinos se originem de um fluxo mais amplo, como aceleradores extremos produzidos por uma população de aceleradores.

Por que Blazars se tornou o principal suspeito

Em muitos eventos cósmicos, os astrónomos procuram uma contrapartida eletromagnética, como ondas de rádio, luz visível, raios X ou raios gama, provenientes da mesma região do céu ao mesmo tempo que a deteção de neutrinos.

Mas neste caso, os cientistas não encontraram nenhum sinal correspondente.

“Isto não exclui completamente a possibilidade de uma fonte pontual”, observa Bendahmann, “mas leva-nos a considerar que os nossos neutrinos podem vir de um fundo difuso – isto é, de um fluxo de neutrinos com contribuições de muitas fontes.”

Esta possibilidade levou os investigadores a levantar a hipótese de que a partícula pode ter-se originado não de um único evento cósmico dramático, mas de uma grande população de blazares.

Para investigar, a equipe usou uma ferramenta de simulação de código aberto chamada AM3 para modelar populações realistas de blazares. Muitos aspectos da simulação foram baseados em valores já medidos por outras observações, incluindo a força do campo magnético e o tamanho da região de emissão ao redor do buraco negro.

Os pesquisadores combinaram principalmente dois fatores críticos. Uma delas foi a carga bariônica, que mede quanta energia os prótons carregam em relação aos elétrons e ajuda a determinar quantos neutrinos podem ser produzidos. O segundo foi o índice espectral de prótons, que afeta a forma como a energia dos prótons é distribuída e se eles podem atingir energias extremamente altas.

Para cada simulação, os investigadores calcularam a produção de neutrinos e a emissão de raios gama associada e, em seguida, compararam os resultados com as observações reais.

Comparando resultados com IceCube e Fermi

O estudo combinou observações de vários observatórios importantes, incluindo KM3NeT/ARCA, o Observatório de Neutrinos Icecube e o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA.

Os pesquisadores não se concentraram apenas no que esses instrumentos observaram. Eles também consideraram o que não foi observado.

Por exemplo, nenhum outro observatório de neutrinos, incluindo o IceCube, detectou eventos semelhantes de energia ultra-alta. Isto sugere que tais partículas são excepcionalmente raras, o que significa que qualquer explicação proposta também explica a falta de detecções comparáveis.

O modelo Blazer corresponde com sucesso a essa restrição.

A equipe também testou se a população proposta de blazar produziria muito mais raios gama do que o fundo de raios gama extragaláctico conhecido medido pelo Fermi. Seus resultados foram consistentes com as observações existentes.

Em última análise, os investigadores descobriram que uma população realista de blazares poderia explicar o extraordinário fenómeno dos neutrinos.

“Modelámos uma população realista de blazares com parâmetros inspirados fisicamente e descobrimos que esta população de blazares pode explicar a origem destes eventos de energia ultra-alta, ao mesmo tempo que é consistente com as nossas restrições nas observações de raios gama e neutrinos,” disse Bendahmann.

KM3NeT pode revelar eventos cósmicos ainda mais extremos

Os cientistas alertam que são necessárias mais evidências antes que a explicação do blazar possa ser confirmada.

“Precisamos de mais dados observacionais”, explica Bendahmann. “O KM3NeT ainda está em construção e detectámos apenas estes neutrinos de energia ultra-alta com uma configuração parcial. Com um detector completo e mais dados, seremos capazes de realizar análises estatísticas mais robustas e abrir uma nova janela no universo dos neutrinos de energia ultra-alta.”

Se observações futuras apoiarem a teoria, as descobertas poderão mudar a compreensão dos cientistas sobre como funcionam os blazares e quão poderosos podem ser.

“Nunca tínhamos visto um neutrino de tão alta energia antes, e se vier de um acelerador cósmico como um blazar”, conclui Bendahmann, “vai-nos dar uma nova visão sobre como estes objetos podem emitir partículas com energias mais elevadas do que esperávamos anteriormente”.