Cerca de quatro bilhões de anos atrás, quando o planeta Terra ainda estava em sua infância, o eixo de um buraco negro com cerca de um bilhão de vezes mais massivo que o Sol indicava exatamente onde nosso planeta seria em 22 de setembro de 2017.
Ao longo do eixo, um jato de partículas de alta energia enviou fótons e neutrinos correndo em nossa direção na velocidade da luz ou próximo dela. O IceCube Neutrino Observatory no Pólo Sul detectou uma dessas partículas subatômicas - o neutrino IceCube-170922A - e o rastreou até um pequeno trecho do céu na constelação de Órion e identificou a fonte cósmica: um enorme buraco negro do tamanho de um bilhão sóis, a 3, 7 bilhões de anos-luz da Terra, conhecido como blazar TXS 0506 + 056. Blazars são conhecidos há algum tempo. O que não ficou claro é que eles poderiam produzir neutrinos de alta energia. Ainda mais excitante foi que tais neutrinos nunca haviam sido rastreados até sua origem.
Encontrar a fonte cósmica de neutrinos de alta energia pela primeira vez, anunciada em 12 de julho de 2018 pela National Science Foundation, marca o alvorecer de uma nova era da astronomia de neutrinos. Perseguido desde 1976, quando físicos pioneiros tentaram primeiro construir um detector de neutrinos de alta energia em larga escala na costa havaiana, a descoberta do IceCube marca a conclusão triunfante de uma longa e difícil campanha de centenas de cientistas e engenheiros - e simultaneamente o nascimento de um ramo completamente novo da astronomia.
A constelação de Orion, com um bullseye na localização do blazar. (Silvia Bravo Gallart / Project_WIPAC_Comunicações, CC BY-ND) A detecção de dois mensageiros astronômicos distintos - neutrinos e luz - é uma poderosa demonstração de como a chamada astronomia multimídia pode fornecer a alavanca de que precisamos para identificar e compreender alguns dos fenômenos mais energéticos do universo. Desde a sua descoberta como fonte de neutrinos há menos de um ano, o blazar TXS 0506 + 056 tem sido objeto de um intenso escrutínio. Seu fluxo de neutrinos associado continua a fornecer insights profundos sobre os processos físicos em funcionamento perto do buraco negro e seu poderoso jato de partículas e radiação, irradiando quase diretamente para a Terra a partir de sua localização logo depois do ombro de Órion.
Como três cientistas de uma equipe global de físicos e astrônomos envolvidos nessa notável descoberta, fomos atraídos a participar desse experimento por sua absoluta audácia, pelo desafio físico e emocional de trabalhar longos turnos em um local brutalmente frio, ao mesmo tempo em que inseria caro. equipamentos sensíveis em furos perfurados a 1, 5 milhas de profundidade no gelo e fazendo tudo funcionar. E, claro, pela oportunidade emocionante de ser o primeiro a ver um novo tipo de telescópio e ver o que ele revela sobre o céu.
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A uma altitude superior a 9.000 pés e com temperaturas médias de verão raramente quebrando uma frígida -30 graus Celsius, o Pólo Sul pode não ser o lugar ideal para fazer qualquer coisa, além de se gabar de visitar um lugar que é tão ensolarado e brilhante que você precisa de protetor solar pelas narinas. Por outro lado, uma vez que você perceba que a altitude é devida a uma espessa camada de gelo ultrapuro feita de centenas de milhares de anos de neve e que as baixas temperaturas mantiveram tudo bem congelado, então talvez você não se surpreenda com o neutrino construtores de telescópios, as vantagens científicas superam o ambiente proibido. O Pólo Sul é hoje o lar do maior detector de neutrinos do mundo, o IceCube.
Março de 2015: O IceCube Laboratory na Estação Amundsen-Scott South Pole, na Antártida, hospeda os computadores que coletam dados brutos do detector. Devido às alocações de largura de banda de satélite, o primeiro nível de reconstrução e filtragem de eventos ocorre em tempo quase real neste laboratório. (Erik Beiser, IceCube / NSF) Pode parecer estranho que precisemos de um detector tão elaborado, dado que cerca de 100 bilhões dessas partículas fundamentais se projetam através de sua miniatura a cada segundo e deslizam sem esforço por toda a Terra sem interagir com um único átomo terrestre.
De fato, os neutrinos são as segundas partículas mais onipresentes, perdendo apenas para os fótons de fundo de microondas cósmicos que sobraram do Big Bang. Eles compreendem um quarto das partículas fundamentais conhecidas. No entanto, porque eles mal interagem com outras matérias, eles são sem dúvida os menos compreendidos.
Para capturar um punhado dessas partículas indescritíveis e descobrir suas fontes, os físicos precisam de detectores de grandes quilômetros de largura feitos de um material opticamente claro - como o gelo. Felizmente, a Mãe Natureza forneceu esta laje imaculada de gelo claro, onde poderíamos construir nosso detector.
O IceCube Neutrino Observatory instrumenta um volume de aproximadamente um quilômetro cúbico de gelo antártico claro com 5.160 módulos ópticos digitais (DOMs) em profundidades entre 1.450 e 2.450 metros. O observatório inclui um subdetector densamente instrumentado, DeepCore, e um painel de chuveiro de superfície, IceTop. (Felipe Pedreros, IceCube / NSF) No Pólo Sul, centenas de cientistas e engenheiros construíram e instalaram mais de 5.000 fotossensores individuais em 86 furos de 1, 5 milhas de profundidade, derretidos na calota de gelo polar, com uma furadeira de água quente personalizada. Ao longo de sete temporadas de verão austrais, instalamos todos os sensores. O array IceCube foi totalmente instalado no início de 2011 e vem recebendo dados continuamente desde então.
Essa série de detectores ligados a gelo pode detectar com grande precisão quando um neutrino voa e interage com algumas partículas terrestres que geram padrões escuros de luz Cherenkov azulada, emitidos quando partículas carregadas se movem através de um meio como gelo a uma velocidade próxima à da luz.
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O calcanhar de Aquiles dos detectores de neutrinos é que outras partículas, originadas na atmosfera próxima, também podem acionar esses padrões de luz Cherenkov azulada. Para eliminar esses sinais falsos, os detectores são enterrados no gelo para filtrar a interferência antes que ela chegue ao detector sensível. Mas, apesar de estar sob quase uma milha de gelo sólido, o IceCube ainda enfrenta um ataque de cerca de 2.500 dessas partículas a cada segundo, cada uma das quais poderia ser plausivelmente devido a um neutrino.
Com a taxa esperada de interessantes interações astrofísicas de neutrinos reais (como neutrinos vindos de um buraco negro) pairando em cerca de uma por mês, nos deparávamos com um problema intimidador de agulha no palheiro.
A estratégia do IceCube é olhar apenas para eventos com energia tão alta que é extremamente improvável que tenham origem atmosférica. Com esses critérios de seleção e vários anos de dados, o IceCube descobriu os neutrinos astrofísicos que há muito tempo procurava, mas não conseguiu identificar nenhuma fonte individual - como núcleos ativos de galáxias ou explosões de raios gama - entre as dúzias de neutrinos de alta energia tinha capturado.
Para extrair fontes reais, o IceCube começou a distribuir alertas de chegada de neutrinos em abril de 2016 com a ajuda da Astrophysical Multimessenger Observatory Network na Penn State. Ao longo dos próximos 16 meses, 11 alertas de neutrinos IceCube-AMON foram distribuídos via AMON e Rede de Coordenadas de Raios Gama, apenas alguns minutos ou segundos após serem detectados no Pólo Sul.
Em 22 de setembro de 2017, o IceCube alertou a comunidade internacional de astronomia sobre a detecção de um neutrino de alta energia. Cerca de 20 observatórios na Terra e no espaço fizeram observações de acompanhamento, que permitiram identificar o que os cientistas consideram ser uma fonte de neutrinos altamente energéticos e, portanto, de raios cósmicos. Além de neutrinos, as observações feitas através do espectro eletromagnético incluíam raios gama, raios-X e radiação óptica e de rádio. Esses observatórios são administrados por equipes internacionais, com um total de mais de 1.000 cientistas apoiados por agências de fomento em países do mundo todo. (Nicolle R. Fuller / NSF / IceCube) **********
Os alertas desencadearam uma sequência automatizada de observações de raios-X e ultravioleta com o Observatório Neil Gehrels Swift da NASA e levaram a estudos adicionais com o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA e o Telescópio Espectroscópico Nuclear, e outros 13 observatórios ao redor do mundo.
O Swift foi a primeira instalação a identificar o blazar em chamas TXS 0506 + 056 como uma possível fonte do evento de neutrino. O Telescopethen de Área Grande de Fermi informou que o blazar estava em um estado de queima, emitindo muito mais raios gama do que no passado. À medida que as notícias se espalharam, outros observatórios entraram entusiasticamente no trem e uma ampla gama de observações se seguiu. O telescópio terrestre MAGIC observou que nosso neutrino veio de uma região que produz raios gama de alta energia (cada um dez milhões de vezes mais energético que um raio X), a primeira vez que tal coincidência foi observada. Outras observações ópticas completaram o quebra-cabeça medindo a distância até o blazar TXS 0506 + 056: cerca de quatro bilhões de anos-luz da Terra.
Com a primeira identificação de uma fonte cósmica de neutrinos de alta energia, um novo ramo na árvore da astronomia brotou. À medida que a astronomia de neutrinos de alta energia cresce com mais dados, melhor coordenação interobservatório e detectores mais sensíveis, poderemos mapear o céu de neutrinos com melhor e melhor precisão.
E esperamos que novas e excitantes inovações em nossa compreensão do universo sigam o exemplo, como: solucionar o mistério centenário da origem de raios cósmicos incrivelmente energéticos; testar se o próprio espaço-tempo é espumoso, com flutuações quânticas em escalas de distância muito pequenas, como previsto por certas teorias da gravidade quântica; e descobrir exatamente como os aceleradores cósmicos, como aqueles ao redor do buraco negro TXS 0506 + 056, conseguem acelerar as partículas para essas altas energias de tirar o fôlego.
Por 20 anos, a IceCube Collaboration sonhou em identificar as fontes de neutrinos cósmicos de alta energia - e esse sonho é agora uma realidade.
Este artigo foi originalmente publicado no The Conversation.
Doug Cowen, Professor de Física e Professor de Astronomia e Astrofísica da Universidade Estadual da Pensilvânia
Azadeh Keivani, Fronteiras do Colégio Científico, Universidade de Columbia
Derek Fox, Professor Associado de Astronomia e Astrofísica, Universidade Estadual da Pensilvânia
