Por mais de um século, os cientistas observaram partículas carregadas de energia muito alta, chamadas raios cósmicos, chegando de fora da atmosfera da Terra. As origens dessas partículas são muito difíceis de identificar, porque as próprias partículas não viajam em um caminho reto para a Terra. Até os raios gama, um tipo de fóton de alta energia que oferece um pouco mais de percepção, são absorvidos ao percorrer longas distâncias.
O IceCube Neutrino Observatory, uma série de módulos ópticos enterrados em um quilômetro cúbico de gelo no Pólo Sul, procura fontes de raios cósmicos dentro e fora de nossa galáxia – estendendo-se a galáxias a mais de bilhões de anos-luz de distância – usando dicas de partículas ilusórias chamados neutrinos. Espera-se que esses neutrinos sejam produzidos por colisões de raios cósmicos com gás ou radiação perto das fontes.
Ao contrário dos raios cósmicos, os neutrinos não são absorvidos ou desviados a caminho da Terra, tornando-os uma ferramenta prática para localizar e entender os aceleradores cósmicos. Se os cientistas puderem encontrar uma fonte de neutrinos astrofísicos de alta energia, isso seria uma arma fumegante para uma fonte de raios cósmicos.
Após 10 anos pesquisando as origens dos neutrinos astrofísicos, uma nova pesquisa em todo o céu fornece a sonda mais sensível de emissão de neutrinos integrada no tempo de fontes semelhantes a pontos. A IceCube Collaboration apresenta os resultados dessa digitalização em um artigo enviado recentemente para Physical Review Letters.
Tessa Carver liderou essa análise sob a supervisão de Teresa Montaruli no Departamento de Física Nuclear e Corpuscular da Universidade de Genebra, na Suíça. “O IceCube já observou um fluxo astrofísico de neutrinos, então sabemos que eles existem e são detectáveis – simplesmente não sabemos exatamente de onde eles vêm”, diz Carver, agora um pós-doutorado na Universidade de Cardiff. “É apenas uma questão de tempo e precisão até que possamos identificar as fontes por trás desse fluxo de neutrinos”.
O principal desafio na busca por fontes astrofísicas de neutrinos com o IceCube é o cenário avassalador de eventos induzidos por interações de raios cósmicos em nossa atmosfera. O sinal de fontes fracas de neutrinos precisa ser extraído através de sofisticadas técnicas de análise estatística.
Usando esses métodos, Carver e seus colaboradores “escanearam” o céu inteiro para procurar fontes de neutrinos pontuais em locais arbitrários. Esse método de varredura é capaz de identificar fontes de neutrinos muito brilhantes que podem ser invisíveis nos raios gama, que também são produzidas em colisões de raios cósmicos.
Para serem sensíveis às fontes mais escuras, eles também analisaram 110 candidatos a fontes galácticas e extragalácticas, que foram observados por meio de raios gama. Eles então combinaram os resultados obtidos para fontes individuais nesta lista em uma “análise populacional”, que procura uma taxa acima do esperado de resultados significativos da pesquisa na lista de fontes individuais. Isso permite que os pesquisadores encontrem emissão significativa de neutrinos, mesmo que as fontes da lista sejam muito fracas para serem observadas individualmente.
Os pesquisadores também empregaram uma “pesquisa de empilhamento” de três catálogos de fontes de raios gama em nossa galáxia. Essa pesquisa reúne todas as emissões de grupos de objetos conhecidos do mesmo tipo, pressupondo que eles tenham propriedades de emissão conhecidas. Embora possa reduzir significativamente a emissão por fonte necessária para observar um grande excesso de sinal no fundo, essa pesquisa é limitada, pois requer mais conhecimento das fontes no catálogo.
Embora as diferentes análises não tenham descoberto fontes constantes de neutrinos, os resultados são empolgantes: alguns dos objetos no catálogo de fontes conhecidas mostraram um fluxo de neutrinos mais alto do que o esperado, com excessos no nível 3σ. Em particular, a varredura em todo o céu revelou que o local “mais quente” do céu fica a apenas 0,35 graus da galáxia NGC 1068, que possui um excesso de 2,9? sobre o fundo. O NGC 1068 é um dos buracos negros mais próximos de nós; ele é incorporado em uma região de formação de estrelas com muita matéria para os neutrinos interagirem enquanto os raios gama de alta energia são atenuados, como mostra as medições de Fermi e MAGIC. Esse é o excesso mais significativo observado além do TXS 0506 + 056, a fonte de 2017 que o IceCube achou coincidente com um surto de raios gama. Ainda assim, essas fontes potenciais de neutrinos exigem que mais dados com um detector mais sensível, como o IceCube-Gen2, sejam confirmados.
Os pesquisadores também descobriram que o catálogo de fontes do Hemisfério Norte como um todo diferia das expectativas de fundo, com um significado de 3,3?. Carver diz que esses resultados demonstram uma forte motivação para continuar analisando os objetos no catálogo. Análises dependentes do tempo, que procuram explosões de emissão de pico, e a possibilidade de correlacionar a emissão de neutrinos com observações de ondas eletromagnéticas ou gravitacionais para essas e outras fontes, podem fornecer evidências adicionais de emissão de neutrinos e informações sobre a origem dos neutrinos. Com a coleta contínua de dados, a reconstrução de direção mais refinada e a próxima atualização do IceCube, outras melhorias na sensibilidade estão no horizonte.
“Temos a sorte de ter a oportunidade única de ser a primeira pessoa a mapear o universo com neutrinos, o que fornece uma nova perspectiva”, diz Carver. “Além disso, esse progresso na astronomia de neutrinos é acompanhado por grandes avanços na física das ondas gravitacionais e na física dos raios cósmicos”.
Montaruli acrescenta: “Enquanto estamos no início de uma nova era na astronomia que observa o universo não apenas com luz, esta é a primeira vez que começamos a ver excessos potencialmente significativos de eventos neutrinos candidatos em torno de objetos extragaláticos interessantes em tempo independente do tempo. pesquisas “.
Publicado em 18/02/2020 21h52
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