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INTEGRAL JUNTA-SE À CAMPANHA MULTI-MENSAGEIRA PARA ESTUDAR FONTES DE NEUTRINOS DE ALTA ENERGIA
17 de julho de 2018

 


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 que apontam na direção da Terra.
Nesta impressão de artista, o blazar emite neutrinos e raios-gama, como no caso do evento IceCube-170922A, registo no dia 22 de setembro de 2017. Nesta ocasião, o IceCube no Pólo Sul detetou um neutrino enquanto ao mesmo tempo raios-gama, oriundos da mesma direção no céu, foram detetados por outros telescópios na Terra e no espaço.
Crédito: IceCube/NASA
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Uma equipa internacional de cientistas encontrou a primeira evidência de uma fonte de neutrinos de alta energia: uma galáxia ativa, ou blazar, a 4 mil milhões de anos-luz da Terra. Após uma deteção pelo Observatório de Neutrinos IceCube, a 22 de setembro de 2017, o satélite INTEGRAL da ESA juntou-se a uma colaboração de observatórios no espaço e no solo que vigiava a fonte de neutrinos, anunciando o emocionante futuro da astronomia multi-mensageira.

Os neutrinos são partículas "fantasmagóricas", quase sem massa, 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 biliões 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 transportam 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, 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 parental do neutrino 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 os telescópios MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov) 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.

"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 facto 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 alcancem 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 recolhidas 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", realça 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."

 


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Imagem do IceCube Neutrino Observatory, enterrado entre 1,5 e 2,5 km por baixo do gelo antártico no Pólo Sul. O único equipamento visível acima da superfície é o laboratório, que alberga computadores que recolhem dados de mais de 5000 sensores de luz no gelo.
Nesta impressão de artista, uma imagem dos sensores com base em medições do evento IceCube-170922A, registado no dia 22 de setembro de 2017, é visto por baixo do laboratório. Nesta ocasião, o IceCube detetou um neutrino enquanto ao mesmo tempo raios-gama eram detetados por outros telescópios na Terra e no espaço; as observações revelaram que o "mensageiro cósmico" tinha origem num blazar, um tipo de galáxia ativa em que um dos seus jatos está apontado para a Terra.
Crédito: Colaboração IceCube/NSF
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Impressão de artista da nave INTEGRAL.
Crédito: ESA
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