INTEGRAL junta-se à campanha multi-mensageira para estudar fontes de neutrinos de alta energia

Os neutrinos são partículas “fantasmagóricas”, quase sem massa [1], que viajam essencialmente de forma livre através do espaço, perto da velocidade da luz. Apesar de serem algumas das partículas mais abundantes no Universo - 100.000 mil milhões passam através dos nossos corpos a cada segundo - estas partículas subatómicas, eletricamente neutras, são notoriamente difíceis de detetar porque interagem com a matéria incrivelmente raramente.

Enquanto os neutrinos primordiais foram criados durante o Big Bang, muitas dessas partículas ilusórias são rotineiramente produzidas em reações nucleares através do cosmos. A maioria dos neutrinos que chegam à Terra derivam do Sol, mas acredita-se que aqueles que nos atingem com as energias mais altas provêm das mesmas fontes que os raios cósmicos - partículas altamente energéticas originárias de fontes exóticas fora do Sistema Solar.

Ao contrário dos neutrinos, os raios cósmicos são partículas carregadas e, assim, o seu caminho é torcido por campos magnéticos, mesmo os mais fracos. A carga neutra dos neutrinos, em vez disso, significa que estes não são afetados pelos campos magnéticos e, como eles passam quase inteiramente através da matéria, podem ser usados para traçar um caminho reto até à sua origem.

Agindo como “mensageiros”, os neutrinos carregam diretamente informações astronómicas dos confins do Universo. Nas últimas décadas, foram construídos vários instrumentos na Terra e no espaço para descodificar as suas mensagens, embora detetar estas partículas não seja tarefa fácil. Em particular, a fonte de neutrinos de alta energia, até agora, não foi comprovada.

No dia 22 de setembro de 2017, um desses neutrinos de alta energia chegou ao Observatório de Neutrinos IceCube [2], no Pólo Sul. O evento foi chamado IceCube-170922A.

O observatório IceCube, que engloba um quilómetro cúbico de gelo cristalino e profundo, deteta neutrinos através das suas partículas secundárias, muões. Estes muões são produzidos nas raras ocasiões em que um neutrino interage com a matéria na vizinhança do detetor e criam rastros com quilómetros de comprimento, à medida que passam pelas camadas de gelo da Antártida. Os seus longos caminhos significam que a sua posição pode ser bem definida, e a origem do neutrino parental pode ser fixada no céu.

Durante o evento de 22 de setembro, um muão em travessia depositou 22 TeV de energia no detetor IceCube. A partir disso, os cientistas estimaram a energia do neutrino parental em torno de 290 TeV, indicando uma possibilidade de 50% de ter uma origem astrofísica além do Sistema Solar.

Quando a origem de um neutrino não pode ser identificada de maneira robusta pelo IceCube, como neste caso, são necessárias observações de múltiplos comprimentos de onda para investigar a sua fonte. Assim, após a deteção, os cientistas do IceCube circularam as coordenadas no céu da origem do neutrino, inferidas a partir das suas observações, para uma rede mundial de observatórios terrestres e espaciais que trabalham em todo o espectro eletromagnético.

Estes incluíram o telescópio espacial de raios gama Fermi da NASA e o Imageador de Raios-X Atmosférico Principal Cherenkov (MAGIC) em La Palma, nas Ilhas Canárias, que observou esta parte do céu e encontrou o blazar conhecido, TXS 0506 + 056, num estado de “cintilação” - um período de intensa emissão de alta energia - ao mesmo tempo que o neutrino foi detetado no Pólo Sul.

Os blazares são os núcleos centrais de galáxias gigantes que albergam um buraco negro supermassivo no coração, onde a matéria espiralada forma um disco giratório quente que gera enormes quantidades de energia, junto com um par de jatos relativísticos.

Estes jatos são colunas colossais que irradiam radiação, fotões e partículas - incluindo neutrinos e raios cósmicos - a dezenas de anos-luz do buraco negro central, a velocidades muito próximas da velocidade da luz. Uma característica específica dos blazares é que um desses jatos aponta na direção da Terra, fazendo com que a sua emissão pareça excecionalmente brilhante.

Cientistas de todo o mundo começaram a observar este blazar - a fonte provável do neutrino detetado pelo IceCube - numa variedade de comprimentos de onda, de ondas de rádio a raios gama de alta energia. O observatório de raios gama INTEGRAL da ESA fez parte desta colaboração internacional [3].

“Este é um marco muito importante para entender como os neutrinos de alta energia são produzidos”, diz Carlo Ferrigno, do Centro de Dados Científicos INTEGRAL da Universidade de Genebra, na Suíça.

“Houve alegações anteriores de que as explosões de blazar estavam associadas à produção de neutrinos, mas esta, a primeira confirmação, é absolutamente fundamental. Este é um período empolgante para a astrofísica”, acrescenta ele.

O INTEGRAL, que examina o céu em raios-X fortes e raios gama suaves, também é sensível a fontes transitórias de alta energia em todo o céu. No momento em que o neutrino foi detetado, não registrou nenhuma explosão de raios gama do local do blazar, então os cientistas foram capazes de descartar emissões imediatas de certas fontes, como uma explosão de raios gama.

Após o alerta de neutrino do IceCube, o INTEGRAL apontou para esta área do céu em várias ocasiões, entre 30 de setembro e 24 de outubro de 2017, com os seus instrumentos de campo amplo, e não observou o blazar num estado de cintilação na gama de raios-X fortes ou raios gama suaves.

O fato do INTEGRAL não ter detetado a fonte nas observações de acompanhamento forneceu informações significativas sobre esse blazar, permitindo que os cientistas colocassem um limite superior útil na sua produção de energia durante esse período.

“O INTEGRAL foi importante para restringir as propriedades deste blazar, mas também para permitir que os cientistas excluíssem outras fontes de neutrinos, como explosões de raios gama”, explica Volodymyr Savchenko, do Centro de Dados Científicos INTEGRAL, que liderou a análise dos dados do INTEGRAL.

Com instalações espalhadas pelo globo e no espaço, os cientistas têm agora a capacidade de detetar uma infinidade de “mensageiros cósmicos”, percorrendo vastas distâncias a velocidades extremamente altas, na forma de luz, neutrinos, raios cósmicos e até ondas gravitacionais.

“A capacidade de fazer com que os telescópios façam uma descoberta utilizando uma variedade de comprimentos de onda, em cooperação com um detetor de neutrinos como o IceCube, é um marco ao qual os cientistas chamam de astronomia multi-mensageira”, diz Francis Halzen da Universidade de Wisconsin-Madison, EUA, cientista-líder do Observatório de Neutrinos IceCube.

Com a combinação das informações coletadas por cada um desses instrumentos sofisticados para a investigação de uma ampla gama de processos cósmicos, a era da astronomia multi-mensageira entrou verdadeiramente na fase da exploração científica.

Os telescópios espaciais de alta energia da ESA estão totalmente integrados nesta rede de grandes colaborações multi-mensageiras, como demonstrado durante a recente deteção de ondas gravitacionais com uma correspondente emissão de raios gama - esta última detetada pelo INTEGRAL - libertadas pela colisão de duas estrelas de neutrões e na subsequente campanha, com contribuições do INTEGRAL, bem como do observatório de raios-X XMM-Newton.

Reunir recursos destes e de outros observatórios é fundamental para o futuro da astrofísica, promovendo a nossa capacidade de descodificar as mensagens que nos chegam de todo o Universo.

“O INTEGRAL é o único observatório disponível no domínio de raios-X fortes e raios gama que tem a capacidade de realizar imagens e espectroscopia dedicadas, além de ter uma visão instantânea do céu a qualquer momento”, observa Erik Kuulkers, cientista do projeto INTEGRAL na ESA.

“Depois de mais de 15 anos de operações, o INTEGRAL ainda está na vanguarda da astrofísica de alta energia.”

Notas

[1] Descrito por Frederick Reines, um dos cientistas que fez a primeira deteção de neutrinos, como “... a menor quantidade de realidade jamais imaginada por um ser humano”, estima-se que um neutrino contenha um milionésimo da massa de um eletrão.

[2] A Colaboração IceCube é financiada principalmente pela National Science Foundation e é operada por uma equipa sediada na Universidade de Wisconsin-Madison, EUA. Os esforços de pesquisa, incluindo contribuições críticas para a operação do detetor, são apoiados por agências de financiamento na Austrália, Bélgica, Canadá, Dinamarca, Alemanha, Japão, Nova Zelândia, República da Coreia, Suécia, Suíça, Reino Unido e EUA.

[3] Estes resultados estão detalhados no artigo “Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A” publicado na Science:

http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aat1378

Para mais informação, é favor contactar:

Erik Kuulkers
 ESA INTEGRAL Project Scientist
 European Space Agency
Tel.: +31 6 30249526
Correo electrónico: Erik.Kuulkers@esa.int

Carlo Ferrigno
 INTEGRAL Science Data Centre
 University of Geneva, Suiza
Correo electrónico: Carlo.Ferrigno@unige.ch

Volodymyr Savchenko
 INTEGRAL Science Data Centre
 University of Geneva, Suiza
Correo electrónico: Volodymyr.Savchenko@unige.ch

Francis Halzen
IceCube Principal Investigator
University of Wisconsin-Madison, Estados Unidos
Correo electrónico: francis.halzen@icecube.wisc.edu

Sílvia Bravo Gallart
IceCube press office
 University of Wisconsin-Madison, Estados Unidos
Correo electrónico: silvia.bravo@icecube.wisc.edu

Markus Bauer
 ESA Science Communication Officer
 Teléfono: +31 71 565 6799
 Móvil: +31 61 594 3 954
 Correo electrónico: markus.bauer@esa.int