Descoberto no espaço um acelerador de partículas muito mais poderoso do que o LHC

Por , em 23.02.2021
À medida que a estrela se aproxima do buraco negro, as enormes forças das marés alongam a estrela até que ela finalmente se despedaça. Metade dos detritos estelares é arremessado de volta ao espaço, enquanto a parte restante forma um disco de acreção rotativo. O sistema age como um poderoso acelerador de partículas natural. Crédito: DESY, Science Communication Lab

Cientistas rastrearam uma partícula fantasma para uma estrela despedaçada e descobriram um gigantesco acelerador de partículas cósmico. A partícula subatômica, chamada de neutrino, foi lançada em direção à Terra depois que a estrela condenada chegou muito perto do buraco negro supermassivo no centro de sua galáxia e foi despedaçada pela gravidade colossal do buraco negro. É a primeira partícula que pode ser rastreada até um “evento de perturbação das marés” (EPM) e fornece evidências de que essas catástrofes cósmicas pouco compreendidas podem ser poderosos aceleradores de partículas naturais, como relata a equipe liderada pelo cientista da DESY Robert Stein na revista Nature Astronomy. As observações também demonstram o poder de explorar o cosmos através de uma combinação de diferentes “mensageiros” como fótons (partículas de luz) e neutrinos, também conhecidos como astronomia multi-mensageira.

O neutrino começou sua jornada há cerca de 700 milhões de anos, por volta da época em que os primeiros animais se desenvolveram na Terra. Esse é o tempo de viagem que da partícula, de uma galáxia distante e sem nome (catalogada como 2MASX J20570298+1412165) na constelação de Delphinus (O Golfinho) à Terra. Os cientistas estimam que o enorme buraco negro tem a massa de 30 milhões de sóis. “A força da gravidade fica mais e mais forte, quanto mais perto você chega de algo. Isso significa que a gravidade do buraco negro puxa o lado mais próximo da estrela mais fortemente do que o lado distante da estrela, levando a um efeito de alongamento” (também conhecido como espaguetificação), explica Stein. “Essa diferença é chamada de força de maré, e à medida que a estrela se aproxima, esse alongamento se torna mais extremo. Finalmente, ele despedaça a estrela, e então chamamos de um evento de interrupção das marés. É o mesmo processo que leva às marés oceânicas na Terra, mas felizmente para nós a lua não puxa forte o suficiente para destruir a Terra.”

Cerca de metade dos destroços da estrela foram arremessados para o espaço, enquanto a outra metade se estabeleceu em um disco giratório ao redor do buraco negro. Este disco de acreção é semelhante ao vórtice de água do ralo de uma pia. Antes de mergulhar no esquecimento, a matéria do disco de acreção fica mais e mais quente e brilha brilhantemente. Este brilho foi detectado pela primeira vez pela Zwicky Transient Facility (ZTF) no Monte Palomar, na Califórnia, em 9 de abril de 2019.

Meio ano depois, em 1 º de outubro de 2019, o detector de neutrinos IceCube no Polo Sul registrou um neutrino extremamente energético originado na direção do evento de interrupção das marés. “Ele colidiu com o gelo antártico com uma energia notável de mais de 100 teraelétron-volts”, diz a coautora Anna Franckowiak, da DESY, que agora é professora na Universidade de Bochum. “Em comparação, isso é pelo menos dez vezes a energia máxima de partículas que pode ser alcançada no acelerador de partículas mais poderoso do mundo, o Grande Colisor de Hádrons no CERN perto de Genebra.”

Extremamente leve

Os neutrinos são extremamente leves e dificilmente interagem com qualquer coisa, são capazes de passar despercebidos quando atravessam paredes, seu corpo ou mas planetas e estrelas. São, portanto, muitas vezes chamadas de partículas fantasma. Portanto flagrar um neutrino de alta energia é uma observação notável. A análise mostrou que este neutrino em particular tinha apenas uma em 500 chances de ser uma total coincidência com do EPM. A detecção provocou novas observações do evento com muitos instrumentos em todo o espectro eletromagnético, de ondas de rádio a raios-X.

“Este é o primeiro neutrino ligado a um evento de interrupção das marés, e isso nos traz evidências valiosas”, explica Stein. “Os eventos de interrupção das marés não são bem compreendidos. A detecção do neutrino aponta para a existência de um motor central e poderoso perto do disco de acreção, vomitando partículas rápidas. E a análise combinada de dados de telescópios de rádio, óptica e ultravioleta nos dá evidências adicionais de que o EPM age como um gigantesco acelerador de partículas.”

Coração das trevas: Uma visão do disco de acreção ao redor do buraco negro supermassivo, com estruturas semelhantes a jatos fluindo para longe do disco.  Crédito: DESY, Science Communication Lab

As observações são melhor explicadas por um fluxo energético de jatos rápidos de matéria sendo expelidos do sistema, que são produzidos pelo motor central e que duram centenas de dias. Isso também é o que seria necessário para explicar os dados observacionais, como Walter Winter, chefe do grupo teórico de física de astropartículas da DESY, e sua colega, a teorista Cecilia Lunardini, da Universidade Estadual do Arizona, mostraram em um modelo teórico publicado na mesma edição da Nature Astronomy “O neutrino surgiu relativamente tarde, meio ano após o início da deglutição da estrela. Nosso modelo explica esse momento naturalmente”, diz Winter.

O acelerador cósmico expele diferentes tipos de partículas, mas além de neutrinos e fótons, essas partículas são eletricamente carregadas e, portanto, desviadas por campos magnéticos intergalácticos em sua jornada. Apenas os neutrinos eletricamente neutros podem viajar em linha reta, como a luz, em direção à Terra e assim se tornar um mensageiro valioso de tais sistemas.

“As observações combinadas demonstram o poder da astronomia multi-mensageiro”, diz o coautor Marek Kowalski, chefe de astronomia de neutrinos da DESY e professor da Universidade Humboldt, em Berlim. “Sem a detecção do evento de interrupção das marés, o neutrino seria apenas um de muitos. E sem o neutrino, a observação do evento de perturbação das marés seria apenas um de muitos. Somente através da combinação poderíamos encontrar o acelerador e aprender algo novo sobre os processos internos.” A associação do neutrino de alta energia e do evento de interrupção das marés foi descoberta por um sofisticado software chamado AMPEL, desenvolvido especificamente na DESY para procurar correlações entre neutrinos do Icecube e objetos astrofísicos detectados pela Zwicky Transient Facility.

A ponta do iceberg?

A Zwicky Transient Facility foi projetada para capturar centenas de milhares de estrelas e galáxias em uma única foto e pode examinar o céu noturno extremamente rápido. Em seu coração está o Telescópio Samuel-Oschin de 1,3 m de diâmetro. Graças ao seu grande campo de visão, a ZTF pode escanear todo o céu em apenas três noites, encontrando mais objetos variáveis e transitórios do que qualquer outra pesquisa óptica antes dele. “Desde o nosso início em 2018, detectamos mais de 30 eventos de interrupção das marés, mais do que o dobro do número conhecido desses objetos”, diz Sjoert van Velzen, do Observatório de Leiden, coautor do estudo. “Quando percebemos que o segundo EPM mais brilhante observado por nós era a fonte de um neutrino de alta energia registrado pelo IceCube, ficamos entusiasmados.”

“Podemos estar vendo apenas a ponta do iceberg aqui. No futuro, esperamos encontrar muito mais associações entre neutrinos de alta energia e suas fontes”, diz Francis Halzen, professor da Universidade de Wisconsin-Madison e pesquisador principal do IceCube, que não estava diretamente envolvido no estudo. “Há uma nova geração de telescópios sendo construídos que fornecerão maior sensibilidade aos EPMs e outras fontes potenciais de neutrinos. Ainda mais essencial é a extensão planejada do detector de neutrinos IceCube, que aumentaria o número de detecções cósmicas de neutrinos em ao menos dez vezes.”

Mais informações: Um evento de interrupção das marés coincide com um neutrino de alta energia, a Nature Astronomy (2021). DOI: 10.1038/s41550-020-01295-8 , www.nature.com/articles/10.1038/s41550-020-01295-8

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