Um novo mapa do universo, pintado com neutrinos cósmicos | Revista Quanta

Dos 100 trilhões de neutrinos que passam por você a cada segundo, a maioria vem do sol ou da atmosfera da Terra. Mas um punhado de partículas – aquelas que se movem muito mais rápido do que o resto – viajaram até aqui de fontes poderosas mais distantes. Durante décadas, os astrofísicos buscaram a origem desses neutrinos “cósmicos”. Agora, o IceCube Neutrino Observatory finalmente coletou o suficiente deles para revelar padrões reveladores de onde eles estão vindo.

Em um artigo do artigo publicado hoje em Ciência, a equipe revelou o primeiro mapa da Via Láctea em neutrinos. (Normalmente, nossa galáxia é mapeada com fótons, partículas de luz.) O novo mapa mostra uma névoa difusa de neutrinos cósmicos emanando de toda a Via Láctea, mas, estranhamente, nenhuma fonte individual se destaca. “É um mistério”, disse Francisco Halzen, que lidera o IceCube.

Os resultados seguem um Estudo IceCube do outono passado, também em Ciência, que foi o primeiro a conectar neutrinos cósmicos a uma fonte individual. Ele mostrou que uma grande parte dos neutrinos cósmicos detectados até agora pelo observatório veio do coração de uma galáxia “ativa” chamada NGC 1068. No núcleo brilhante da galáxia, a matéria espirala em um buraco negro supermassivo central, de alguma forma criando neutrinos cósmicos. no processo.

“É muito gratificante”, disse Kat Scholberg, um físico de neutrinos da Duke University que não esteve envolvido na pesquisa. “Eles realmente identificaram uma galáxia. Esse é o tipo de coisa que toda a comunidade de astronomia de neutrinos vem tentando fazer desde sempre”.

Identificar fontes de neutrinos cósmicos abre a possibilidade de usar as partículas como uma nova sonda da física fundamental. Pesquisadores mostraram que os neutrinos podem ser usados ​​para abrir rachaduras no atual Modelo Padrão da física de partículas e até mesmo testar descrições quânticas da gravidade.

No entanto, identificar a origem de pelo menos alguns neutrinos cósmicos é apenas um primeiro passo. Pouco se sabe sobre como a atividade em torno de alguns buracos negros supermassivos gera essas partículas e, até agora, as evidências apontam para múltiplos processos ou circunstâncias.

Origem há muito procurada

Por mais abundantes que sejam, os neutrinos geralmente atravessam a Terra sem deixar rastros; um detector magnificamente grande teve que ser construído para detectar o suficiente deles para perceber padrões nas direções de onde eles vêm. O IceCube, construído há 12 anos, consiste em cadeias de detectores com um quilômetro de comprimento, perfurados profundamente no gelo antártico. A cada ano, o IceCube detecta cerca de uma dúzia de neutrinos cósmicos com energia tão alta que eles se destacam claramente contra uma névoa de neutrinos atmosféricos e solares. Análises mais sofisticadas podem extrair neutrinos cósmicos candidatos adicionais do restante dos dados.

Os astrofísicos sabem que tais neutrinos energéticos só poderiam surgir quando núcleos atômicos em movimento rápido, conhecidos como raios cósmicos, colidissem com material em algum lugar do espaço. E muito poucos lugares no universo têm campos magnéticos fortes o suficiente para elevar os raios cósmicos a energias suficientes. Explosões de raios gama, flashes de luz ultrabrilhantes que ocorrem quando algumas estrelas se transformam em supernovas ou quando estrelas de nêutrons espiralam umas nas outras, foram por muito tempo consideradas uma das opções mais plausíveis. A única alternativa real eram os núcleos galácticos ativos, ou AGNs – galáxias cujos buracos negros supermassivos centrais expeliam partículas e radiação à medida que a matéria entrava.

A teoria da explosão de raios gama perdeu terreno em 2012, quando os astrofísicos perceberam que, se essas explosões brilhantes fossem as responsáveis, esperaríamos ver muito mais neutrinos cósmicos do que nós. Ainda assim, a disputa estava longe de ser resolvida.

Então, em 2016, o IceCube começou a enviar alertas toda vez que detectava um neutrino cósmico, levando outros astrônomos a direcionar telescópios na direção de onde veio. No mês de setembro seguinte, eles provisoriamente comparou um neutrino cósmico com uma galáxia ativa chamada TXS 0506+056, ou TXS para abreviar, que emitia explosões de raios-X e raios gama ao mesmo tempo. “Isso certamente despertou muito interesse”, disse Marcos Santander, um colaborador do IceCube na Universidade do Alabama.

Mais e mais neutrinos cósmicos foram coletados e outro pedaço do céu começou a se destacar contra o fundo dos neutrinos atmosféricos. No meio dessa mancha está a galáxia ativa próxima NGC 1068. A análise recente do IceCube mostra que essa correlação quase certamente é igual à causalidade. Como parte da análise, os cientistas do IceCube recalibraram seu telescópio e usaram inteligência artificial para entender melhor sua sensibilidade a diferentes trechos do céu. Eles descobriram que há menos de 1 chance em 100,000 de que a abundância de neutrinos vindo da direção de NGC 1068 seja uma flutuação aleatória.

A certeza estatística de que TXS é uma fonte de neutrinos cósmicos não fica muito atrás e, em setembro, o IceCube registrou um neutrino provavelmente nas proximidades de TXS que ainda não foi analisado.

“Estávamos parcialmente cegos; é como se tivéssemos voltado o foco”, disse Halzen. “A corrida era entre explosões de raios gama e galáxias ativas. Essa corrida foi decidida.”

O Mecanismo Físico

Esses dois AGNs parecem ser as fontes de neutrinos mais brilhantes do céu, mas, surpreendentemente, são muito diferentes. O TXS é um tipo de AGN conhecido como blazar: ele dispara um jato de radiação de alta energia diretamente em direção à Terra. No entanto, não vemos tal jato apontando em nossa direção a partir de NGC 1068. Isso sugere que diferentes mecanismos no coração de galáxias ativas poderiam dar origem a neutrinos cósmicos. “As fontes parecem ser mais diversas”, disse Júlia Tjus, astrofísico teórico da Ruhr University Bochum, na Alemanha, e membro do IceCube.

Halzen suspeita que haja algum material ao redor do núcleo ativo em NGC 1068 que bloqueia a emissão de raios gama à medida que os neutrinos são produzidos. Mas o mecanismo preciso é uma incógnita. “Sabemos muito pouco sobre os núcleos das galáxias ativas porque são muito complicados”, disse ele.

Os neutrinos cósmicos originários da Via Láctea confundem ainda mais as coisas. Não há fontes óbvias de tais partículas de alta energia em nossa galáxia – em particular, nenhum núcleo galáctico ativo. O núcleo da nossa galáxia não tem movimentado por milhões de anos.

Halzen especula que esses neutrinos vêm de raios cósmicos produzidos em uma fase ativa anterior de nossa galáxia. “Sempre esquecemos que estamos olhando para um momento no tempo”, disse ele. “Os aceleradores que produziram esses raios cósmicos podem tê-los feito milhões de anos atrás.”

O que se destaca na nova imagem do céu é o brilho intenso de fontes como NGC 1068 e TXS. A Via Láctea, cheia de estrelas próximas e gás quente, ofusca todas as outras galáxias quando os astrônomos olham com fótons. Mas quando é visto em neutrinos, “o incrível é que mal podemos ver nossa galáxia”, disse Halzen. “O céu é dominado por fontes extragalácticas.”

Deixando de lado o mistério da Via Láctea, os astrofísicos querem usar as fontes mais distantes e brilhantes para estudar a matéria escura, a gravidade quântica e as novas teorias do comportamento dos neutrinos.

Sondando Física Fundamental

Os neutrinos oferecem pistas raras de que uma teoria mais completa das partículas deve substituir o conjunto de equações de 50 anos conhecido como Modelo Padrão. Este modelo descreve partículas e forças elementares com precisão quase perfeita, mas erra quando se trata de neutrinos: ele prevê que as partículas neutras não têm massa, mas não são - não exatamente.

Os físicos descobriram em 1998 que os neutrinos podem mudar de forma entre seus três tipos diferentes; um neutrino de elétron emitido pelo sol pode se transformar em um neutrino de múon ao chegar à Terra, por exemplo. E, para mudar de forma, os neutrinos devem ter massa – as oscilações só fazem sentido se cada espécie de neutrino for uma mistura quântica de três massas diferentes (todas muito pequenas).

Dezenas de experimentos permitiram que os físicos de partículas construíssem gradualmente uma imagem dos padrões de oscilação de vários neutrinos - solares, atmosféricos, produzidos em laboratório. Mas os neutrinos cósmicos originários de AGNs oferecem uma visão do comportamento oscilatório das partículas em distâncias e energias muito maiores. Isso os torna “uma sonda muito sensível à física que está além do Modelo Padrão”, disse Carlos Arguelles-Fino, um físico de neutrinos da Universidade de Harvard que também faz parte da extensa colaboração IceCube.

As fontes cósmicas de neutrinos estão tão distantes que as oscilações dos neutrinos devem ficar borradas – onde quer que os astrofísicos olhem, eles esperam ver uma fração constante de cada um dos três tipos de neutrinos. Qualquer flutuação nessas frações indicaria que os modelos de oscilação de neutrinos precisam ser repensados.

Outra possibilidade é que os neutrinos cósmicos interajam com a matéria escura enquanto viajam, como previsto por muitos modelos do setor escuro. Esses modelos propõem que a matéria invisível do universo consiste em vários tipos de partículas não luminosas. As interações com essas partículas de matéria escura espalhariam neutrinos com energias específicas e criar uma lacuna no espectro de neutrinos cósmicos que vemos.

Ou a própria estrutura quântica do espaço-tempo pode arrastar os neutrinos, diminuindo sua velocidade. Um grupo baseado na Itália recentemente argumentou em Astronomia da Natureza que os dados do IceCube mostram indícios de que isso está acontecendo, mas outros físicos têm sido céticos dessas reivindicações.

Efeitos como esses seriam minúsculos, mas as distâncias intergalácticas poderiam aumentá-los a níveis detectáveis. “Isso é definitivamente algo que vale a pena explorar”, disse Scholberg.

Já, Argüelles-Delgado e colaboradores usaram o fundo difuso de neutrinos cósmicos – em vez de fontes específicas como NGC 1068 – para procurar evidências da estrutura quântica do espaço-tempo. Enquanto eles relatado em Física da Natureza em outubro, eles não encontraram nada, mas sua busca foi prejudicada pela dificuldade de distinguir a terceira variedade de neutrino - tau - de um neutrino de elétron no detector IceCube. O que é necessário é “melhor identificação de partículas”, disse o co-autor Teppei Katori do King's College London. Pesquisas estão em andamento para separar os dois tipos.

Katori diz que conhecer localizações e mecanismos específicos de fontes de neutrinos cósmicos ofereceria um “grande salto” na sensibilidade dessas buscas por nova física. A fração exata de cada tipo de neutrino depende do modelo de origem, e os modelos mais populares, por acaso, prevêem que números iguais das três espécies de neutrinos chegarão à Terra. Mas os neutrinos cósmicos ainda são tão mal compreendidos que qualquer desequilíbrio observado nas frações dos três tipos pode ser mal interpretado. O resultado pode ser uma consequência da gravidade quântica, matéria escura ou um modelo quebrado de oscilação de neutrinos – ou apenas a física ainda embaçada da produção de neutrinos cósmicos. (No entanto, algumas proporções seriam uma assinatura de “arma fumegante” da nova física, disse Argüelles-Delgado.)

Em última análise, precisamos detectar muito mais neutrinos cósmicos, disse Katori. E parece que vamos. O IceCube está sendo atualizado e expandido para 10 quilômetros cúbicos nos próximos anos e, em outubro, um detector de neutrinos sob o Lago Baikal, na Sibéria postou sua primeira observação de neutrinos cósmicos do TXS.

E nas profundezas do Mediterrâneo, dezenas de cadeias de detectores de neutrinos chamados coletivamente KM3NeT estão sendo fixados no fundo do mar por um robô submersível para oferecer uma visão complementar do céu de neutrinos cósmicos. “As pressões são enormes; o mar é muito implacável”, disse Paschal Coyle, diretor de pesquisa do Marseille Particle Physics Center e porta-voz do experimento. Mas “precisamos de mais telescópios examinando o céu e mais observações compartilhadas, o que está chegando agora”.