Representação artística de como o blazar acelera prótons que geram pions, que por sua vez geram neutrinos e raios gama. Os neutrinos são sempre o resultado de reações de hádrons. Os raios gama podem aparecer nas interações hadron e eletromagnética.Um dos maiores mistérios da ciência é a definição não apenas dos objetos que existem no Universo, mas também das fontes de sinais que fixamos aqui na Terra. Por mais de cem anos, sabemos que os raios cósmicos aram o Universo: partículas de alta energia cujas fontes estão muito além das fronteiras de nossa galáxia. E embora algumas das fontes dessas partículas já tenham sido identificadas, a maioria delas, incluindo as mais energéticas, permaneceu um mistério.
E assim, essa situação mudou. A colaboração do IceCube em 22 de setembro de 2017 descobriu neutrinos de energia ultra alta chegando ao Polo Sul e foi capaz de determinar sua fonte. Quando vários telescópios operando na faixa gama foram direcionados para o mesmo ponto, eles não apenas viram o sinal, mas também
reconheceram o blazar que estava piscando naquele momento . Finalmente, a humanidade descobriu pelo menos uma fonte que cria essas partículas cósmicas ultra-energéticas.
Quando os buracos negros devoram matéria, eles criam um disco de acreção e jatos que emanam dos dois pólos, perpendiculares a ele. Quando um fluxo de um buraco negro supermassivo aponta para nós, chamamos de blazar e, em um caso particular, era um objeto do lagarto BL. Agora eles são considerados a principal fonte de raios cósmicos e neutrinos de alta energia.O universo, onde quer que olhemos, está cheio de coisas que podem ser observadas e com as quais você pode interagir. A matéria desmorona, formando galáxias, estrelas, planetas e até pessoas. A radiação flui através do universo, cobrindo todo o espectro eletromagnético. E em cada centímetro cúbico de espaço você pode encontrar centenas de partículas fantasmagóricas com uma massa minúscula, conhecida como neutrinos.
No mínimo, eles poderiam ser encontrados se interagissem frequentemente com a matéria normal, com a qual sabemos lidar. Mas, em vez disso, os neutrinos podem atravessar uma parede de chumbo com uma espessura de ano-luz e ter a chance de colidir com qualquer partícula igual a 50/50. Algumas décadas depois de sua existência ser suposta em 1930, não conseguimos encontrá-los.
Reator nuclear experimental RA-6 , mostrando a radiação característica de Cherenkov causada por partículas que se movem mais rápido que a luz na água. Neutrinos (ou, mais precisamente, antineutrinos), cuja hipótese foi apresentada pela primeira vez por Pauli em 1930, foram descobertos em um reator nuclear semelhante em 1956.Em 1956, descobrimos pela primeira vez colocando detectores ao lado de reatores nucleares, a poucos metros de onde eles apareceram. Na década de 1960, construímos detectores suficientemente grandes - subterrâneos, protegidos de outras partículas poluentes - para encontrar neutrinos que aparecem no Sol e os que são gerados pela colisão de raios cósmicos com a atmosfera.
Então, em 1987, apenas uma agradável surpresa na forma de uma explosão de supernova perto de nós nos permitiu detectar neutrinos voando de lá. Experimentos que
funcionavam com um objetivo completamente diferente , descobriram neutrinos do
SN 1987A e deram início à era da astronomia de vários mensageiros. Até onde sabemos, os neutrinos voaram pelo Universo com energias indistinguíveis da velocidade da luz.
Restos de uma supernova de 1987a localizada na Grande Nuvem de Magalhães a 165.000 anos-luz de nós. O fato de o neutrino ter chegado algumas horas antes do primeiro sinal nos dizia mais sobre o tempo que a luz leva para se propagar através das camadas da estrela do que sobre a velocidade de movimento do neutrino, que era indistinguível da velocidade da luz. Aparentemente, neutrinos, luz e gravidade se movem na mesma velocidade.Por cerca de 30 anos, os neutrinos desta supernova foram os únicos neutrinos confirmados a vir de fora do sistema solar, sem mencionar os limites da galáxia. Mas isso não significa que não aceitamos neutrinos de outras fontes; significava simplesmente que não poderíamos compará-los de maneira confiável com qualquer fonte conhecida no céu. Embora os neutrinos reajam muito fracamente com a matéria, a probabilidade de uma reação aumenta com o aumento da energia.
E aqui
o Observatório IceCube entra em cena.
O IceCube Observatory, o primeiro observatório de neutrinos do gênero, foi projetado para observar essas partículas indescritíveis de alta energia sob o gelo da Antártica.Nas profundezas do gelo do Polo Sul, dentro do IceCube há um quilômetro cúbico de matéria sólida que ajuda a encontrar esses neutrinos quase sem massa. Quando os neutrinos passam pela Terra, sempre há uma chance de que eles reajam com a partícula lá. A interação levará ao aparecimento de uma chuva de partículas, o que deve deixar traços inequívocos nos detectores.
Ilustração de como um neutrino reagiu com uma molécula de gelo emitindo uma partícula secundária - um múon - movendo-se no gelo a uma velocidade relativística e deixando para trás um rastro de luz azulNos seis anos de operação do IceCube, os detectores detectaram mais de 80 neutrinos espaciais de alta energia com energias superiores a 100 TeV: isso é 10 vezes maior que os valores mais altos de energia alcançados por qualquer partícula no Large Hadron Collider. Alguns deles chegaram até perto da escala PeV, atingindo energias mil vezes maiores do que as necessárias para criar até a mais pesada das partículas fundamentais conhecidas hoje.
Apesar de todos esses neutrinos do espaço sideral que chegaram à Terra, até agora não podíamos compará-los com uma fonte no céu, cuja localização saberíamos com certeza. A descoberta desses neutrinos é uma conquista incrível, mas não seremos capazes de entender qual processo os gera, a menos que possamos compará-los em um objeto real e observável do Universo - por exemplo, um que também podemos observar na radiação eletromagnética.
Quando um neutrino interage com partículas de gelo antártico puro, gera partículas secundárias que deixam um rastro de luz azul ao passar pelo IceCubeOs teóricos não tiveram problemas para apresentar idéias, por exemplo:
- hipernovas , as espécies mais brilhantes de supernovas,
- raios gama pisca
- buracos negros
- quasares, o maior dos buracos negros ativos do universo.
Mas, para resolver esse problema, eram necessárias evidências.
Um exemplo de neutrino de alta energia detectado em um IceCube: um neutrino de 4,45 PeV colidiu com um detector em 2014.
O IceCube rastreou e emitiu relatórios após cada neutrino de energia ultra alta que eles descobriram. Em 22 de setembro de 2017, outro fenômeno foi observado: IceCube-170922A. No relatório, os cientistas anunciaram o seguinte:
Em 22 de setembro de 2017, o IceCube detectou um evento de energia muito alta com alta probabilidade de ter uma fonte astrofísica. Este evento foi detectado por Extremamente Alta Energia (EHE). O IceCube estava no modo de operação normal. Eventos de EHE geralmente são associados a um pico de interação localizado fora do detector, no qual é gerado um múon que atravessa o volume do detector com um alto nível de [energia].
Os raios cósmicos causam chuvas atmosféricas de partículas, colidindo com prótons e átomos da atmosfera e emitem luz devido à radiação de Cherenkov. Observando raios cósmicos no céu e neutrinos atingindo a Terra, usamos coincidências para revelar as fontes de ambos os fenômenos.Esse empreendimento é interessante não apenas para partículas de neutrinos, mas também para raios cósmicos em geral. Apesar de termos observado milhões de raios cósmicos de alta energia nos últimos cem anos, não conhecemos as fontes da maioria deles. E isso é verdade para prótons, núcleos e neutrinos, ambos criados em sua fonte e aqueles resultantes de chuvas atmosféricas.
Por isso, foi tão interessante que, além de alertar sobre o fenômeno, o IceCube também
emitiu as coordenadas celestes de onde esses neutrinos deveriam vir:
- RA: 77,43 graus (-0,80 graus / + 1,30 graus 90% de contenção PSF) J2000
- Dezembro: 5,72 graus (-0,40 graus / + 0,70 graus 90% de contenção PSF) J2000
E eles levaram observadores tentando fazer observações subseqüentes no espectro eletromagnético para esse objeto.
Imagem artística do núcleo ativo da galáxia. Um buraco negro supermassivo no centro do disco de acreção envia jatos estreitos de matéria de alta energia para o espaço perpendicular ao disco. Blazar, a 4 bilhões de anos-luz de nós, tornou-se a fonte desses raios cósmicos e neutrinos.Acabou sendo um blazar: um buraco negro supermassivo em estado ativo, alimentando-se de matéria e acelerando-a a velocidades incríveis. Blazars são os mesmos quasares, mas com uma diferença importante. Os quasares podem ser orientados em qualquer direção e, no blazar, um dos jatos é sempre direcionado diretamente para a Terra. Eles são chamados de blazers da palavra chama, que significa "brilhar, queimar intensamente" - eles brilham diretamente em nossa direção.
Esse blazar em particular é conhecido como
TXS 0506 + 056 , e muitos observatórios, incluindo o Observatório Fermi na NASA e o telescópio terrestre MAGIC nas Ilhas Canárias, detectaram imediatamente raios gama emanando dele.
Cerca de 20 observatórios na Terra e no espaço realizaram observações após traços de detecção de neutrinos usando o local fornecido pelo detector IceCube em setembro passado. Isso tornou possível determinar o que os cientistas consideram ser a fonte de neutrinos de alta energia e, portanto, raios cósmicos. Além dos neutrinos, as observações feitas sobre todo o espectro eletromagnético foram realizadas nas faixas gama, raio-x, óptica e rádio.Além disso, após a chegada do neutrino, verificou-se que o blazar estava em um estado radiante correspondente à emissão mais ativa de partículas para esses objetos. Como a ejeção de partículas tem altos e baixos, os pesquisadores do IceCube vasculharam os registros de dez anos de observações anteriores ao surto de 22 de setembro de 2017, em busca de eventos relacionados a neutrinos
que possam vir do TXS 0506 + 056 .
Eles imediatamente descobriram que os neutrinos vinham desse objeto em vários flashes, que se estendiam por muitos anos. Ao combinar a observação de neutrinos com observações na faixa eletromagnética, fomos capazes de concluir com segurança que os neutrinos de alta energia chegam até nós a partir de blazares e que temos a capacidade de detectá-los mesmo a distâncias tão vastas. TXS 0506 + 056
está a 4 bilhões de anos-luz de nós.
O Blazar TXS 0506 + 056 é a primeira fonte confirmada de neutrino de alta energia e raios cósmicos. A imagem mostra a localização do blazar localizado no céu, no ombro esquerdo da constelação de Órion.Uma quantidade enorme de informações pode ser derivada de uma única observação de um evento com vários "mensageiros":
- Foi demonstrado que os blazares são pelo menos uma das fontes de raios cósmicos.
- Para o aparecimento de neutrinos, são necessárias peônias em decomposição, que aparecem devido a prótons em movimento rápido.
- A primeira evidência convincente da aceleração dos prótons pelos buracos negros.
- TXS 0506 + 056 é uma das fontes mais brilhantes do universo.
- Os raios gama que os acompanham sugerem que os neutrinos cósmicos e os raios cósmicos, pelo menos de tempos em tempos, podem ter uma fonte comum.
Raios cósmicos emitidos por fontes astrofísicas de altas energias podem atingir a superfície da Terra. Quando um raio cósmico colide com uma partícula da atmosfera da Terra, gera um banho de partículas, que podemos detectar usando matrizes de sensores terrestres. Finalmente, revelamos a sua principal fonte.Segundo Francis Halzen, chefe de pesquisa do observatório de neutrinos IceCube:
Curiosamente, a opinião foi difundida na comunidade astrofísica de que os blazares dificilmente podem ser considerados fontes de raios cósmicos - e aqui está ... A capacidade de construir telescópios ao redor do mundo e fazer descobertas em muitos comprimentos de onda, juntamente com um detector de neutrinos como o IceCube, marca um novo marco na o que os cientistas chamam de "astronomia multi-messenger".
A era da astronomia de vários mensageiros chegou oficialmente, e agora temos três maneiras completamente independentes e complementares de olhar para o céu: usando luz, neutrinos e ondas gravitacionais. Aprendemos que os blazares, antes considerados candidatos improváveis à geração de neutrinos de alta energia e raios cósmicos, na verdade geram os dois.
A idéia do artista do quasar remoto 3C 279. Os jatos que emanam dos dois pólos é um fenômeno comum, mas é muito raro que esse jato aponte diretamente para nós. Quando isso acontece, temos um blazar - como agora confirmado, uma fonte de raios cósmicos e neutrinos de alta energia que observamos por muitos anos.Junto com essa descoberta, um novo campo científico é lançado oficialmente, a astronomia de neutrinos de alta energia. Os neutrinos não são mais um subproduto de outras interações ou uma maravilha espacial que mal se estende além do sistema solar. Agora podemos usá-los como uma sonda fundamental do universo e das leis da própria física. Um dos principais objetivos da construção do IceCube era identificar as fontes de neutrinos espaciais de alta energia. Com a confirmação do blazar TXS 0506 + 056 como fonte desses neutrinos e raios cósmicos, um sonho cósmico de muitos finalmente foi realizado.