Desvendando os mistérios dos neutrinos cósmicos: O mapa da Via Láctea revelado
A cada segundo, um impressionante número de 100 trilhões de neutrinos atravessa o corpo humano. As principais fontes desses neutrinos são o Sol ou a atmosfera da Terra, com alguns deles originando-se de fontes cósmicas distantes e poderosas. Por um longo período, os astrofísicos estiveram em uma busca para rastrear as origens desses neutrinos cósmicos. Recentemente, o Observatório de Neutrinos IceCube fez progressos significativos ao acumular uma quantidade suficiente dessas partículas esquivas, revelando padrões discerníveis em suas fontes.
Em um estudo publicado na revista Science, a equipe do IceCube apresentou o primeiro mapa da Via Láctea usando neutrinos, em vez dos mapas convencionais baseados em fótons da nossa galáxia. Esse novo mapa retrata uma dispersão difusa de neutrinos cósmicos emergindo de várias localizações dentro da Via Láctea. Curiosamente, nenhum ponto de origem individual é evidente neste mapa, levando a um fenômeno intrigante descrito como um “mistério” por Francis Halzen, líder do projeto IceCube.
Esse desenvolvimento ocorre na esteira de um estudo anterior do IceCube, também publicado na Science, que marcou um avanço significativo ao conectar neutrinos cósmicos a uma fonte específica. Esse estudo anterior demonstrou que uma parcela considerável dos neutrinos cósmicos detectados estava relacionada ao núcleo de uma galáxia “ativa” chamada NGC 1068. Nesse núcleo galáctico, a matéria espirala em direção a um buraco negro supermassivo, dando origem aos neutrinos cósmicos.
A identificação das fontes de neutrinos cósmicos abre possibilidades emocionantes para utilizar essas partículas na investigação da física fundamental. Pesquisadores demonstraram que os neutrinos cósmicos podem desafiar o modelo padrão estabelecido da física de partículas e explorar teorias quânticas da gravidade.
No entanto, determinar a origem dos neutrinos cósmicos é apenas o primeiro passo. Pouco se sabe sobre os mecanismos responsáveis por gerar essas partículas ao redor de buracos negros supermassivos, e as evidências atuais sugerem o envolvimento de processos ou circunstâncias múltiplas.
Neutrinos, por mais abundantes que sejam, geralmente atravessam a Terra sem deixar rastros. Detectar um número suficiente deles para discernir padrões direcionais exigiu a construção do Observatório de Neutrinos IceCube há 12 anos. Esse observatório consiste em cordões de detectores com quilômetros de extensão enterrados profundamente no gelo antártico. A cada ano, o IceCube identifica cerca de uma dúzia de neutrinos cósmicos com níveis de energia notavelmente altos, permitindo que se destaquem em meio ao fundo de neutrinos atmosféricos e solares. Análises avançadas distinguem ainda mais outros potenciais neutrinos cósmicos nos dados.
Os astrofísicos compreendem que neutrinos energéticos só podem ser produzidos quando núcleos atômicos em movimento rápido, conhecidos como raios cósmicos, colidem com material em algum lugar no espaço. Existem poucos lugares no universo com campos magnéticos fortes o suficiente para acelerar raios cósmicos até essas energias. Inicialmente, as explosões de raios gama, intensas emissões de radiação que ocorrem durante eventos estelares como supernovas ou colisões de estrelas de nêutrons, eram consideradas uma fonte provável. A teoria alternativa apontava para os núcleos galácticos ativos (AGNs), galáxias que possuem buracos negros supermassivos centrais que emitem partículas e radiação à medida que a matéria cai neles.
A hipótese das explosões de raios gama perdeu apoio quando ficou evidente que deveria haver um número muito maior de neutrinos cósmicos se essas explosões fossem a fonte principal. No entanto, a questão ainda não estava resolvida. Em 2016, o IceCube começou a emitir alertas sempre que detectava um neutrino cósmico, levando outros astrônomos a direcionar seus telescópios para a fonte. Em setembro do mesmo ano, um neutrino cósmico foi tentativamente associado a uma galáxia ativa chamada TXS 0506+056 (TXS para abreviar), que estava emitindo raios X e raios gama ao mesmo tempo. Essa descoberta gerou considerável interesse entre os pesquisadores.
À medida que mais neutrinos cósmicos foram coletados, outra região do céu começou a se destacar em meio ao fundo de neutrinos atmosféricos. Dentro dessa região está a galáxia ativa próxima NGC 1068. Análises recentes do IceCube indicam uma forte probabilidade de que essa correlação implique causalidade. Utilizando inteligência artificial e recalibrando seu telescópio como parte da análise, os cientistas do IceCube determinaram que a abundância de neutrinos originários da direção de NGC 1068 é altamente improvável de ser uma flutuação aleatória, com menos de 1 chance em 100.000.
A confirmação de TXS como fonte de neutrinos cósmicos é esperada em breve, uma vez que o IceCube registrou um neutrino provavelmente originado nas proximidades de TXS em setembro.
Enquanto NGC 1068 e TXS parecem ser as fontes mais brilhantes de neutrinos cósmicos no céu, eles exibem diferenças significativas. TXS é classificada como um blazar, um AGN que emite um jato de radiação de alta energia diretamente para a Terra. Em contraste, nenhum jato desse tipo é observável de NGC 1068 na nossa direção. Essa disparidade sugere que diferentes mecanismos dentro dos núcleos de galáxias ativas podem dar origem aos neutrinos cósmicos. Essa diversificação nas fontes representa um desafio intrigante, uma vez que nossa compreensão dos núcleos complexos das galáxias ativas ainda é limitada.
O enigma se aprofunda quando consideramos os neutrinos cósmicos originários da própria Via Láctea. Não são evidentes fontes para partículas de tanta energia em nossa galáxia, em particular, nenhum núcleo galáctico ativo. O núcleo de nossa galáxia tem sido relativamente tranquilo por milhões de anos. Francis Halzen especula que esses neutrinos podem ser remanescentes de raios cósmicos produzidos durante uma fase anterior e mais ativa da Via Láctea, destacando a importância de considerar aspectos temporais em investigações astrofísicas.
O que se destaca de forma proeminente no novo mapa celeste baseado em neutrinos é o brilho evidente de fontes como NGC 1068 e TXS. Quando observada com fótons, a Via Láctea, repleta de estrelas próximas e gás quente, supera todas as outras galáxias. No entanto, no reino dos neutrinos, nossa galáxia é surpreendentemente fraca. As fontes extragalácticas dominam o céu de neutrinos.
Deixando de lado o mistério dentro da Via Láctea, os astrofísicos têm como objetivo aproveitar essas fontes distantes e radiantes para explorar a matéria escura, a gravidade quântica e teorias novas sobre o comportamento dos neutrinos.
Os neutrinos oferecem pistas raras de que uma teoria de partículas mais completa deve substituir o conjunto de equações de 50 anos conhecido como o modelo padrão. Esse modelo descreve partículas elementares e forças com precisão quase perfeita, mas falha quando se trata de neutrinos. De acordo com o modelo padrão, os neutrinos deveriam ser sem massa, mas evidências experimentais provaram o contrário. Em 1998, os físicos descobriram que neutrinos podem oscilar entre seus três tipos distintos, implicando que possuem massa. Esse fenômeno só é explicável se cada tipo de neutrino for uma combinação quântica de três massas diminutas.
Numerosos experimentos permitiram que os físicos de partículas gradualmente construíssem um quadro das oscilações de vários tipos de neutrinos – solares, atmosféricos e aqueles produzidos em laboratórios. No entanto, os neutrinos cósmicos originados de AGNs oferecem uma oportunidade única para estudar as oscilações de neutrinos em distâncias e níveis de energia muito maiores, tornando-os uma ferramenta sensível para investigar a física além do modelo padrão.
A imensa distância das fontes de neutrinos cósmicos implica que as oscilações de neutrinos devem se tornar embaçadas. Portanto, os pesquisadores esperam observar uma proporção constante de cada um dos três tipos de neutrinos, independentemente da direção em que olhem. Qualquer desvio dessa proporção esperada indicaria a necessidade de revisões nos modelos de oscilação de neutrinos.
Outra possibilidade intrigante é que os neutrinos cósmicos podem interagir com a matéria escura durante sua jornada, como previsto por diversos modelos do chamado setor escuro. Esses modelos propõem a existência de partículas não luminosas que constituem a matéria invisível do universo. Interações com essas partículas de matéria escura poderiam espalhar neutrinos em energias específicas, resultando em lacunas distintas no espectro de neutrinos cósmicos que observamos.
Além disso, existe a proposição de que a estrutura quântica do espaço-tempo em si pode afetar a velocidade dos neutrinos. Um grupo na Itália argumentou, com base nos dados do IceCube, que existem indícios desse fenômeno, embora haja ceticismo dentro da comunidade científica.
Embora esses efeitos possam parecer minúsculos, as vastas distâncias intergalácticas envolvidas podem amplificá-los a níveis mensuráveis. “Isso definitivamente é algo que vale a pena explorar”, diz Scholberg.
Já, Argüelles-Delgado e colaboradores utilizaram o fundo difuso de neutrinos cósmicos – em vez de fontes específicas como NGC 1068 – para investigar evidências da estrutura quântica do espaço-tempo. Embora seus esforços iniciais não tenham produzido resultados conclusivos, eles foram prejudicados pelo desafio de distinguir dois tipos de neutrinos: tau e neutrinos eletrônicos, no detector do IceCube. Portanto, está em andamento uma pesquisa para aprimorar as técnicas de identificação de partículas.
Katori enfatiza que é necessário detectar um número significativamente maior de neutrinos cósmicos. Felizmente, o IceCube está passando por uma expansão, aumentando seu tamanho para 10 quilômetros cúbicos nos próximos anos. Além disso, em outubro, um detector de neutrinos sob o Lago Baikal, na Sibéria, registrou suas primeiras observações de neutrinos cósmicos originários de TXS.
Além disso, no Mar Mediterrâneo, o projeto KM3NeT está implantando numerosos cordões de detectores de neutrinos no leito do mar, oferecendo uma perspectiva alternativa do céu de neutrinos cósmicos. Apesar dos desafios impostos pelas condições adversas do ambiente subaquático, esse esforço colaborativo visa aprimorar nossa compreensão dos neutrinos cósmicos por meio de observações compartilhadas e de múltiplos telescópios.
Em conclusão, o estudo dos neutrinos cósmicos possui um potencial imenso para desvendar mistérios na física de partículas, explorar a natureza da matéria escura e sondar a estrutura fundamental do universo. À medida que o campo continua a avançar e a tecnologia evolui, os pesquisadores antecipam ainda mais descobertas significativas em nossa compreensão dessas partículas esquivas e seu papel no cosmos. [Wired]
