Uma galáxia distante em formação de estrelas, apelidada de “Shadow Blaster”, poderia ter enviado uma partícula cósmica fantasmagórica em direção à Terra.
Os astrónomos acreditam ter rastreado a origem da partícula até 11 mil milhões de anos-luz de distância, marcando um passo em frente na compreensão dos misteriosos neutrinos.
Os neutrinos são abundantes em todo o universo, ganhando a reputação de partículas fantasmas porque não possuem carga elétrica, têm pouca massa e não parecem interagir com outros tipos de matéria.
Supernovas, reações nucleares estelares e a quebra de partículas pesadas podem criar neutrinos. Mas rastrear exatamente de onde vêm os neutrinos quando detectores como o Observatório de Neutrinos IceCube da Antártica alertam sobre sua presença tem se mostrado mais difícil para os astrônomos.
“Eles raramente interagem com a matéria, e é por isso que podem viajar pelo universo quase sem serem perturbados”, disse o Dr. Yuji Urata, pesquisador da empresa de pesquisa astronômica MITOS Science Co.
E se a fonte for um objeto que permanece estável em brilho e não brilha com atividade, chegar à origem do neutrino parece impossível.
Mas o autor principal, Urata, e a sua equipa tiveram um golpe de sorte, de acordo com o seu estudo publicado a 17 de junho na revista Nature Astronomy.
Uma coincidência cósmica iluminou a galáxia Shadow Blaster pouco depois da deteção de um neutrino de alta energia na Terra, sugerindo um surto de atividade que levou os investigadores diretamente à galáxia — e poderá apontar para uma nova forma de procurar as origens das partículas fantasmas.
A galáxia Shadow Blaster está atrás da galáxia vermelha brilhante no centro desta imagem. – Observatório Internacional Gemini/NOIRLab/NSF/AURA
Como a galáxia Shadow Blaster ganhou esse apelido
Em 2021, o detector IceCube, que possui sensores embutidos nas profundezas do gelo da Antártida, detectou a presença de um neutrino de alta energia – o tipo que os cientistas detectam a cada dois ou três anos, disse Erik Blaufuss, cientista pesquisador do departamento de física da Universidade de Maryland. Blaufuss não esteve envolvido no estudo.
O evento que criou o neutrino, denominado IC 210922A, pareceu ocorrer na direção da constelação de Eridanus, e o observatório lançou um alerta para a comunidade astronômica. Os cientistas realizaram observações rápidas de acompanhamento em diferentes comprimentos de onda de luz para procurar o ponto de origem da partícula.
Eles não tiveram sucesso, no entanto, na detecção de quaisquer estrelas em explosão, explosões de raios gama, raios X ou componentes de luz visível que pudessem estar associados ao neutrino.
“Os neutrinos por si só nos dizem que algo energético aconteceu em algum lugar no céu, mas geralmente não nos dizem exatamente qual é a fonte, a que distância está ou que tipo de objeto os produziu”, escreveu Urata por e-mail. “Para responder a essas perguntas, precisamos de luz: observações de rádio, submilimétricas, infravermelhas, ópticas, raios X e raios gama.”
Dias após o lançamento do alerta, Urata e seus colegas realizaram observações com o Telescópio James Clerk Maxwell do Observatório do Leste Asiático, bem como com o Submillimeter Array, ambos localizados perto do cume do Mauna Kea, no Havaí. Eles descobriram uma galáxia rica em formação estelar chamada JCMT0402−0424.
A galáxia tinha trilhões de vezes a luminosidade do nosso Sol em luz infravermelha e estava no local certo para ser potencialmente conectada ao neutrino.
A equipe apelidou a galáxia de Shadow Blaster porque ela está cheia de poeira, tornando-a quase invisível à luz óptica, raios X ou raios gama, disse Urata. Blaster refere-se à ideia de que, apesar da sua natureza oculta, a galáxia pode ser uma poderosa fonte de partículas e neutrinos de alta energia, acrescentou.
Quando os investigadores realizaram observações de acompanhamento adicionais usando o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array no Chile, perceberam que o Shadow Blaster estava localizado atrás de uma lente gravitacional.
A lente gravitacional ocorre quando uma grande galáxia no primeiro plano de uma observação amplia uma galáxia distante atrás dela, agindo como uma lupa cósmica.
“Este efeito de lente ampliou a galáxia e permitiu-nos estudar uma região oculta e compacta de formação de estrelas que de outra forma teria sido muito mais difícil de detectar”, disse Urata.
Este infográfico mostra como funcionam as lentes gravitacionais. – Observatório Internacional Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/R. Inspetor
Possivelmente uma fonte chave de neutrinos de alta energia
Densos berçários estelares em galáxias, como o do Shadow Blaster, que forma novas estrelas a uma taxa poderosa, podem fornecer o gás, a radiação e os ambientes magnéticos que atuam como aceleradores de partículas para produzir neutrinos, acrescentou.
“Galáxias com formação de estrelas são galáxias que produzem muitas estrelas, algumas das quais são massivas e queimam rapidamente, explodindo em supernovas, provavelmente acelerando os raios cósmicos no processo”, disse Justin Vandenbroucke, professor do departamento de física e do Centro de Astrofísica de Partículas IceCube de Wisconsin, na Universidade de Wisconsin-Madison. Ele não estava envolvido no estudo.
A galáxia vermelha em primeiro plano desvia a luz da galáxia Shadow Blaster, mais distante. – Observatório Internacional Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
Durante os primórdios do universo, há 10 mil milhões de anos, houve uma intensa explosão de formação estelar em galáxias como a Shadow Blaster. As galáxias também formaram raios cósmicos, as partículas mais energéticas do universo, que podem criar neutrinos.
Mas fazer a ligação entre os neutrinos e as galáxias com formação estelar tem sido uma tarefa difícil, dado que a maioria das galáxias estão distantes e ténues devido à quantidade de poeira que contêm — um ingrediente chave na formação de estrelas. Ser capaz de espiar dentro do Shadow Blaster com lentes gravitacionais aliviou essa dificuldade, disse Urata.
Galáxias com formação de estrelas, como Shadow Blaster, podem ser uma fonte importante de neutrinos de alta energia.
“Nossa análise sugere que esta população pode contribuir com cerca de 20% do fundo difuso de neutrinos observado medido pelo IceCube”, disse Urata.
Encontrar a galáxia certa nas proximidades de onde veio o neutrino pode ser uma coincidência acidental, observou Vandenbroucke.
Esses arcos amarelos são tudo o que os astrônomos podem ver da galáxia Shadow Blaster. – NOIRLab/NSF/AURA/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
Os pesquisadores “estimam que a probabilidade de ser uma coincidência acidental seja de cerca de 1%”, disse ele. “Detectar mais associações deste tipo entre este tipo de galáxia e neutrinos de alta energia é necessário para estabelecer se são de facto fontes de neutrinos.”
Os cientistas também querem saber que condições dentro de uma galáxia em formação estelar contribuem para a criação de neutrinos.
Observatórios como o ALMA e o Telescópio Espacial James Webb estão mudando a forma como os astrônomos estudam galáxias massivas, distantes e empoeiradas, disse Urata.
“Se algumas destas galáxias também são fontes de neutrinos, então os neutrinos podem fornecer uma forma completamente nova de estudar como as galáxias formaram estrelas, construíram campos magnéticos e aceleraram os raios cósmicos quando o Universo era jovem”, acrescentou.
O estudo motivará a busca por associações mais profundas entre neutrinos e fontes potenciais no futuro, observou Blaufuss.
Encontrar neutrinos usando lentes gravitacionais também poderia permitir um estudo mais profundo das partículas fantasmas, que ainda se mostram misteriosas apesar de terem sido detectadas durante décadas.
“Os neutrinos fornecem uma espécie de visão de superraios X, permitindo-nos estudar fenómenos que de outra forma seriam obscurecidos pelos nossos telescópios, de forma análoga à forma como as máquinas de raios X nos permitem ver o interior de pessoas e objetos”, disse Vandenbroucke.
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