Há três anos, os cientistas descobriram algo extraordinário nas profundezas do Mar Mediterrâneo: os neutrinos cósmicos mais energéticos já observados. A partícula carrega uma energia de cerca de 220 PeV, mais de dez vezes maior que a dos neutrinos de alta energia detectados anteriormente, e os pesquisadores ainda não sabem de onde ela veio.
Agora, um novo estudo é publicado em Jornal de Cosmologia e Física de Partículas Astronômicas (JCAP) mostraram que a partícula pode ter se originado de blazares, alguns dos objetos mais extremos do universo. Blazares são núcleos galácticos ativos alimentados por buracos negros supermassivos que ejetam enormes jatos de plasma diretamente em direção à Terra.
Cientistas procuram fonte de neutrinos registrados
Em 13 de fevereiro de 2023, o grande observatório de neutrinos KM3NeT/ARCA, localizado nas profundezas da costa da Sicília, detectou neutrinos. Curiosamente, a sonda ainda está em construção. No momento da descoberta, apenas 21 linhas de detecção estavam em operação, representando aproximadamente 10% do tamanho final planejado do observatório.
Mesmo em configuração parcial, o detector capturou um sinal diferente de tudo que os cientistas já haviam visto antes.
Os pesquisadores exploram o mistério da mesma forma que os investigadores forenses examinam as pistas na cena do crime. Começando por uma possível explicação, eles criaram simulações e compararam os resultados com observações reais.
Uma ideia importante é que os neutrinos vêm de uma classe especial de blazares capazes de acelerar partículas a energias extremas.
“Existem várias explicações possíveis para a origem desta partícula”, explica Meriem Bendahman, investigadora do INFN Nápoles e membro da colaboração KM3NeT, uma das autoras do estudo, que conta com centenas de colaboradores. “Por exemplo, foi proposto que tais neutrinos são produzidos quando raios cósmicos de energia ultra-alta interagem com a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (luz remanescente do universo primitivo). Mas também é possível que os neutrinos se originem de fluxos difusivos produzidos por um grupo de aceleradores extremos, como os blazares.”
Por que Blazes se tornou o principal suspeito
Em muitos eventos cósmicos, os astrônomos procuram contrapartes eletromagnéticas, como ondas de rádio, luz visível, raios X ou raios gama vindos da mesma região do céu ao mesmo tempo que a detecção de neutrinos.
Mas neste caso, os cientistas não encontraram nenhum sinal correspondente.
“Isto não exclui completamente a possibilidade de fontes pontuais”, salienta Bendaman, “mas leva-nos a pensar que os nossos neutrinos podem vir de um fundo difuso – isto é, de um fluxo de neutrinos que inclui muitas fontes.”
Esta possibilidade levou os investigadores a acreditar que a partícula pode ter sido produzida a partir de um grande número de blazares, e não de um único evento cósmico dramático.
Para investigar, a equipe usou uma ferramenta de simulação de código aberto chamada AM3 para simular populações realistas de blazar. Muitos aspectos da simulação são baseados em valores medidos através de outras observações, incluindo a força do campo magnético e o tamanho da região de emissão ao redor do buraco negro.
Os pesquisadores ajustaram principalmente dois fatores principais. Uma delas é a carga bariônica, que mede a energia transportada pelos prótons em comparação com os elétrons e ajuda a determinar quantos neutrinos podem ser produzidos. O segundo é o índice do espectro de prótons, que afeta a distribuição da energia do próton e se energias extremamente altas podem ser alcançadas.
Para cada simulação, os pesquisadores calcularam a produção de neutrinos e a emissão de raios gama associada, depois compararam os resultados com as observações reais.
Comparação com resultados dos estudos IceCube e Fermi
O estudo combinou observações de vários observatórios importantes, incluindo KM3NeT/ARCA, o Observatório de Neutrinos IceCube e o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA.
Os pesquisadores não estão apenas observando o que esses instrumentos observam. Eles também levam em consideração situações não observadas.
Por exemplo, nenhum outro observatório de neutrinos, incluindo o IceCube, detectou eventos semelhantes de energia ultra-alta. Isto sugere que partículas como esta são muito raras, o que significa que qualquer explicação proposta deve ter em conta a falta de detecções comparáveis.
O modo Blazar adere com sucesso a esta limitação.
A equipe também testou se a população proposta de blazar produziria raios gama em excesso em comparação com o fundo de raios gama extragaláctico conhecido medido pelo Fermi. Seus resultados são consistentes com as observações existentes.
Em última análise, os investigadores descobriram que um número realista de blazares poderia explicar de forma plausível este extraordinário evento de neutrinos.
“Modelamos populações de blazares realistas com parâmetros fisicamente determinados e descobrimos que essas populações de blazares podem explicar a origem deste evento de energia ultra-alta, ao mesmo tempo que atendem às restrições de nossas observações de raios gama e neutrinos”, disse Bendaman.
KM3NeT pode revelar eventos cósmicos mais extremos
Os cientistas alertam que ainda são necessárias mais evidências antes que uma explicação do blazar possa ser confirmada.
“Precisamos de mais dados observacionais”, explica Bendaman. “O KM3NeT ainda está em construção e apenas detectámos este neutrino de energia ultra-alta numa configuração parcial. Com um detector completo e mais dados, seremos capazes de realizar análises estatísticas mais poderosas e abrir uma nova janela para o universo dos neutrinos de energia ultra-alta.”
Se observações futuras apoiarem a teoria, as descobertas poderão remodelar a compreensão dos cientistas sobre como os blazares funcionam e quão poderosos podem ser.
Bendaman concluiu: “Nunca havíamos observado um neutrino de tão alta energia antes, e se ele vier de um acelerador cósmico como um blazar, isso nos dará novos insights sobre como esses objetos emitem partículas com energias além do que esperávamos anteriormente”.
