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A ‘partícula fantasma’ mais poderosa de todos os tempos pode ter vindo de um acelerador de partículas cósmicas alimentado por um buraco negro
Os cientistas descobriram que uma “partícula fantasma” ou neutrino ultrapoderosa, que atingiu a Terra e foi detectada no Mar Mediterrâneo em 2023, pode ter sido lançada na Terra por blazares movidos por um festivo motor de buraco negro.
Blazares são um tipo de quasaras regiões no coração das galáxias que hospedam a alimentação buracos negros supermassivos e descarregar poderosos jatos de radiação. Os blazares são diferentes dos quasares “comuns” porque sua orientação significa que a energia, as partículas e os jatos de plasma que eles emitem estão apontados diretamente para a Terra.
O neutrino era 30 vezes mais energético do que carregava consigo 30 vezes a energia do anterior neutrino mais energético já detectado. Ele chegou à Terra em 13 de fevereiro de 2023, viajando quase à velocidade da luz, e foi detectado através da detecção de um único múon (uma partícula subatômica) pelo Telescópio Neutrino Cúbico de Quilômetro (KM3NeT), localizado a 11.300 pés (3.450 metros) abaixo das ondas do Mar Mediterrâneo. Os blazares foram inicialmente sugeridos como a fonte da partícula, mas esta equipa de cientistas decidiu confirmar uma classe específica destes eventos movidos por buracos negros supermassivos como uma possível origem.
“Existem várias explicações possíveis para a origem desta partícula”, disse Meriem Bendahman, membro da equipe, da colaboração KM3NeT. disse em um comunicado. “Por exemplo, foi proposto que tais neutrinos são gerados quando raios cósmicos de energia ultra-alta interagem com o radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB), a luz residual do universo primitivo. Mas existe também a possibilidade de que o neutrino se origine de um fluxo difuso produzido por uma população de aceleradores extremos, como os blazares.”
Um ‘fantasma’ de alta energia
Os neutrinos recebem o apelido de “partículas fantasmas” pelo fato de não terem carga elétrica e serem praticamente sem massa, o que significa que passam pela matéria com pouca ou nenhuma interação. Na verdade, como você acabou de ler esta frase, cerca de 100 trilhões de neutrinos passaram pelo seu corpo quase à velocidade da luz. Isso torna a detecção de neutrinos incrivelmente difícil, mesmo quando como este, eles carregam uma energia de 220 milhões bilhão elétron-volts.
Para contextualizar, isso é 30.000 vezes a energia que o maior acelerador de partículas da Terra, o Grande Colisor de Hádrons (LHC), é capaz de alcançar. Na verdade, para acelerar uma partícula a tais energias, o LHC teria de ser expandido do seu comprimento actual de 17 milhas (27 quilómetros) para cerca de 25.000 milhas (40.000 quilómetros), toda a circunferência da Terra.
Não é de admirar que os cientistas estejam ansiosos por compreender de onde veio esta partícula e como foi impulsionada para tão altas energias.
A equipa começou a analisar as possíveis origens desta partícula de neutrino de alta energia, agindo como detetives forenses cósmicos, classificando a deteção da partícula como uma cena de crime e procurando potenciais pistas que apontassem para um culpado.
Uma das primeiras pistas descobertas pelos pesquisadores foi a ausência de um radiação eletromagnética sinal em rádio, raios ópticos, raios X ou raios gama da mesma região do espaço de onde o neutrino parecia ter se originado. Isso é algo que esperariam ver se a partícula tivesse sido lançada por um único evento explosivo, como uma explosão estelar ou uma supernova.
“Isto não exclui completamente a possibilidade de uma fonte pontual, mas leva-nos a considerar que o nosso neutrino pode vir de um fundo difuso – isto é, de um fluxo de neutrinos que inclui contribuições de muitas fontes,” disse Bendahman.
Fontes como uma população de blazares movidos por buracos negros.
Bendahman simulou uma população de blazares, levando em consideração observações de suas características, como a intensidade do campo magnético e o alcance da radiação que emitem. Suas simulações permitiram variar dois parâmetros importantes: a energia transportada por prótons comparado com elétrons (chamada “carga bariônica”) e como essa energia é distribuída pelos prótons; e qual a probabilidade de as partículas atingirem energias ultra-altas. Este segundo parâmetro determina quantos neutrinos podem ser criados, o fluxo de neutrinos (a intensidade de um fluxo) e quantos raios gama são criados.
O modelo desenvolvido pelos pesquisadores também teve que levar em conta a falta de detecção de neutrinos de altas energias semelhantes pelo KM3NeT, ainda em construção na costa da Sicília, e por outras instalações como o Observatório de Neutrinos IceCube localizado na Antártica. Isso significava que qualquer evento que criasse um neutrino de alta energia deveria ser relativamente raro.
Além disso, como a criação de neutrinos é acompanhada pela emissão de raios gama, o modelo teve que garantir que, ao criar neutrinos de alta energia, os blazares não gerassem radiação de raios gama suficiente para exceder o fundo extragaláctico de raios gama medido pelo Telescópio espacial Fermi.
“Modelamos uma população realista de blazares com parâmetros fisicamente motivados e descobrimos que esta população de blazares poderia explicar a origem deste evento de energia ultra-alta, ao mesmo tempo que é consistente com as restrições que temos em relação às observações de raios gama e neutrinos”, disse Bendahman.
Embora as descobertas da equipa mostrem de facto que uma população de blazares pode ser responsável por este neutrino de alta energia, o caso está longe de estar encerrado.
“Precisamos de mais dados observacionais”, disse Bendahman. “Nunca tínhamos observado um neutrino de tão alta energia antes, e se ele vier de aceleradores cósmicos como os blazares, isso nos daria uma nova visão sobre como esses objetos podem emitir partículas com energias além do que esperávamos anteriormente”.
A pesquisa da equipe foi publicada no Jornal de Cosmologia e Física de Astropartículas (JCAP).
