Descoberta a primeira fonte de raios cósmicos fora da Via Láctea

Parece ter chegado ao fim o mistério da origem dos raios cósmicos de altíssima energia, as partículas mais energéticas do Universo, que chegam à Terra vindos de fora de nossa galáxia, a Via Láctea.

Em dois estudos publicados no dia 12 de julho na revista Science, pesquisadores de 17 colaborações internacionais, entre eles dois jovens brasileiros, apresentaram as evidências mais sólidas até agora de que uma das fontes desses raios cósmicos devem ser os buracos negros gigantes no centro de galáxias a bilhões de anos-luz de distância da Via Láctea.

É a primeira vez que se identifica com tanta precisão a possível origem dessas partículas, que, como se confirmou recentemente, são geradas fora da Via Láctea. A observação foi feita no dia 22 de setembro de 2017 no Observatório de Neutrinos IceCube, uma rede de 5.160 detectores instalados sob um bilhão de toneladas de gelo, construída próxima ao polo Sul, na Antártida.

As informações obtidas até agora corroboram a hipótese de que os buracos negros funcionariam como potentes aceleradores cósmicos de partículas, que atingiriam energias de milhões a bilhões de vezes superiores às produzidas nos maiores equipamentos já construídos pela ciência.

Descobertos em 1912 pelo físico austríaco Victor Hess, os raios cósmicos são partículas eletricamente carregadas vindas do espaço com velocidades próximas à da luz. Podem ser elétrons (partículas de carga elétrica negativa), prótons (de carga elétrica positiva) ou núcleos atômicos, conjuntos de prótons e nêutrons (partículas sem carga elétrica).

Os raios cósmicos de mais baixa energia são criados e acelerados em explosões estelares na Via Láctea. Já os mais energéticos, com energias superiores a 1 quintilhão de elétrons-volts (1 exaelétrons-volts ou 1 EeV), devem ser prótons ou núcleos atômicos vindos de lugares muito distantes, fora de nossa galáxia. O principal desafio de determinar sua origem é que, por serem partículas eletricamente carregadas, não viajam em linha reta: sua trajetória é desviada ao atravessarem campos magnéticos dentro e fora das galáxias.

Uma maneira de contornar esse problema é observar neutrinos de alta energia. Os neutrinos têm uma massa ínfima, carga elétrica nula e, portanto, quase não interagem com a matéria. Essas características permitem que viajem pelo espaço em linha reta e a velocidades próximas à da luz, atravessando quase tudo o que encontram pelo caminho sem serem perturbados, razão por que são chamados de partículas fantasmas.

Os astrofísicos estimam que alguns dos neutrinos de alta energia observados na Terra também venham de fora da galáxia e sejam produzidos pelos mesmos fenômenos que geram os raios cósmicos. Assim, traçar a origem desses neutrinos extragalácticos levaria também à origem dos raios cósmicos ultraenergéticos.

Em setembro de 2017, os detectores do IceCube registraram um sinal indicando a passagem de um único neutrino com energia de 290 teraelétrons-volts (TeV), 40 vezes a dos prótons acelerados no Large Hadron Collider (LHC), o maior acelerador de partículas do mundo, instalado na fronteira da Suíça com a França. Ao refazer o percurso do neutrino nos detectores do IceCube, os pesquisadores verificaram que sua origem seria um ponto do céu na constelação de Órion.

Imediatamente após a detecção, a equipe do IceCube divulgou um alerta pedindo que a comunidade astronômica mundial apontasse seus telescópios naquela região. Segundos antes do alerta do IceCube, entretanto, a coordenação que opera o telescópio de grande área (LAT) do satélite Fermi, da Nasa, já havia enviado um outro alerta, avisando que, na mesma região indicada pelo IceCube, um objeto conhecido como TXS 0506+056 havia aumentado em quase cinco vezes o seu brilho na faixa dos raios gama, uma forma de luz (radiação eletromagnética) extremamente energética.

O TXS 0506+056 é uma galáxia com núcleo ativo. Isso significa que ela abriga em seu centro um buraco negro com massa muito elevada que, ao consumir a matéria ao redor, expulsa jatos de radiação luminosa que brilha mais do que todas as estrelas da galáxia.

“Quando o IceCube deu o alerta, a comunidade de observatórios de raios gama já estava pronta”, conta Ulisses Almeida, pesquisador do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro. Almeida colabora com a equipe que controla o telescópio Magic, nas Ilhas Canárias, observatório de raios gama que contribuiu para um dos estudos publicados na Science. “O TXS 0506+056 é uma fonte de raios gama cujo brilho varia muito, monitorada rotineiramente há anos pela equipe do Fermi-LAT.”

Após os alertas do IceCube e do Fermi, 17 observatórios ao redor do mundo acompanharam as variações de brilho do TXS 0506+056. O objeto emite radiação em todas as faixas de energia do espectro eletromagnético, das mais baixas (ondas de rádio) até as mais altas (raios X e gama).

As observações sugerem que o brilho detectado seja a radiação gerada por um jato de matéria ejetada por campos magnéticos ao redor de um buraco negro de massa muito elevada (equivalente à de bilhões de sóis) no centro de uma galáxia a 4 bilhões de anos-luz de distância da Terra.

No caso do TXS 0506+056, seu jato está apontado diretamente para a Terra – os astrônomos chamam de blazares os buracos negros com jatos direcionados para o planeta. Essa característica permite que tanto a radiação eletromagnética, quanto os neutrinos produzidos ao longo do jato cheguem ao planeta depois de viajar durante 4 bilhões de anos em linha reta.

Duas coincidências permitiram aos pesquisadores conectar a origem do neutrino ao blazar: a detecção da partícula ocorreu simultaneamente ao aumento de brilho do TXS 0506+056 e tanto o neutrino quanto a radiação vieram da mesma região do espaço. Segundo Almeida, essa identificação da origem dos neutrinos de alta energia muda a compreensão sobre a composição dos jatos do blazar.

“Como os neutrinos só podem ser produzidos por prótons e núcleos atômicos acelerados a velocidades próximas à da luz, o jato deve ser composto não apenas de elétrons, como a maioria dos pesquisadores costuma pensar, mas também dessas partículas”, explica Almeida. “Portanto o jato seria um acelerador de raios cósmicos.”

Seria essa coincidência mero fruto do acaso? Para diminuir o risco de estarem se iludindo, os pesquisadores analisaram dados coletados durante 10 anos pelo IceCube em busca de mais detecções de neutrinos de alta energia vindos da região do blazar TXS 0506+056. De setembro de 2014 a março de 2015, uma dúzia de neutrinos, possivelmente oriundos daquele mesmo ponto no céu, atravessaram os detectores ocultos no gelo da Antártida, mas deixaram um traço mais difuso.

Em paralelo, o astrofísico Bruno Arsioli, especialista na identificação de blazares nos dados do telescópio Fermi-LAT que atualmente faz estágio de pós-doutorado no Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Unicamp, com Bolsa da FAPESP, colaborou com uma equipe da Universidade Técnica de Munique, na Alemanha, na procura por outros blazares ativos naquela localização no mesmo período.

“Concluímos que o TXS 0506+056 esteve ativo e foi a fonte predominante do ponto de vista energético, produzindo os raios gama mais extremos observados pelo Fermi-LAT naquela região do céu entre 2014 e 2015”, conta Arsioli.

“Estudos anteriores já haviam tentado relacionar os neutrinos de alta energia aos blazares, mas sempre analisando um único evento de coincidência entre a detecção de um neutrino e o aumento do brilho de um blazar. Essa é a primeira vez que duas observações relevantes de neutrinos são relacionadas com um mesmo blazar”, disse.

Além dos dois artigos na Science, outros sete foram aceitos para publicação em outros periódicos. A descoberta está sendo celebrada como mais um exemplo da astronomia multimensageiro, em que os pesquisadores aliam as observações de radiação eletromagnética da astronomia tradicional com outras técnicas, como a detecção de partículas ou de ondas gravitacionais.

Em 2017, a combinação de duas técnicas permitiu identificar a região do espaço em que ocorreu o choque explosivo de duas estrelas de nêutrons e estudar em detalhes as consequências desse tipo de colisão, fonte de elementos químicos pesados do Universo, como o ouro.

Artigos científicos:

The IceCube Collaboration et al. Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A. Science. 12 jul. 2018.

IceCube Collaboration. Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert. Science. 12 jul. 2018.

BERNARDINI, E. et al. The blazar TXS 0506+056 associated with a high-energy neutrino: Insights into extragalactic jets and cosmic ray acceleration. The Astrophysical Journal Letters. No prelo.

PADOVANI, P. et al. Dissecting the region around IceCube-170922A: the blazar TXS 0506+056 as the first cosmic neutrino source. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. No prelo.