Há três anos, os cientistas descobriram algo incomum nas profundezas do Mar Mediterrâneo: o neutrino cósmico mais energético já observado. A partícula tinha uma energia surpreendente de cerca de 220 PeV, mais de dez vezes a dos neutrinos de alta energia detectados anteriormente, e os investigadores ainda não sabem exatamente de onde veio.
Agora, um novo estudo publicado no Jornal de Cosmologia e Astrofísica de Partículas (JCAP) sugere que a partícula poderia ter vindo de blazares, alguns dos objetos mais extremos do universo. Blazares são núcleos galácticos ativos alimentados por buracos negros supermassivos que ejetam enormes jatos de plasma diretamente na Terra.
Cientistas procuram a origem do neutrino recorde
O neutrino foi detectado em 13 de fevereiro de 2023 pelo KM3NeT/ARCA, um enorme observatório de neutrinos localizado nas profundezas da costa da Sicília. Curiosamente, o detector ainda está em construção. No momento da inauguração, apenas 21 linhas de detecção estavam em operação, o que representa cerca de 10% do tamanho final planejado para o observatório.
Mesmo com sua configuração parcial, o detector capturou um sinal diferente de tudo que os cientistas já haviam visto antes.
Os investigadores abordaram o mistério da mesma forma que os investigadores forenses, examinando as evidências da cena do crime. Começando com uma explicação possível, eles criaram simulações e compararam os resultados com observações reais.
Uma ideia importante é que os neutrinos vêm de uma classe especial de blazares capazes de acelerar partículas a energias extremas.
“Existem várias explicações possíveis para a origem desta partícula”, explica Merim Bendahman, investigador do INFN Nápoles e membro da colaboração KM3NeT, um dos autores do estudo, que conta com centenas de participantes. “Por exemplo, foi sugerido que tais neutrinos surgem quando raios cósmicos de energia ultra-alta interagem com a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, a luz remanescente do universo primitivo. Mas existe também a possibilidade de os neutrinos provirem de um fluxo difuso criado por uma população de aceleradores extremos, como os blazares.”
Por que os Blazars se tornaram os principais suspeitos
Em muitos eventos cósmicos, os astrônomos procuram uma contraparte eletromagnética, como ondas de rádio, luz visível, raios X ou raios gama, provenientes da mesma região do céu ao mesmo tempo que a detecção de neutrinos.
Mas, neste caso, os cientistas não encontraram um sinal adequado.
“Isto não exclui completamente a possibilidade de uma fonte pontual”, observa Bendachmann, “mas leva-nos a acreditar que o nosso neutrino pode vir de um fundo difuso – isto é, de um fluxo de neutrinos que inclui contribuições de muitas fontes.”
Esta possibilidade levou os investigadores à ideia de que a partícula poderia ter surgido de uma grande população de blazares, e não de um único evento cósmico dramático.
Para investigar, a equipe usou uma ferramenta de modelagem de código aberto chamada AM3 para simular populações realistas de blazar. Muitos aspectos das simulações foram baseados em valores já medidos por outras observações, incluindo a intensidade do campo magnético e o tamanho das regiões radiantes ao redor dos buracos negros.
Os pesquisadores ajustaram principalmente dois fatores críticos. Uma delas foi a carga bariônica, que mede quanta energia os prótons carregam em comparação aos elétrons e ajuda a determinar quantos neutrinos podem ser produzidos. O segundo foi o índice espectral do próton, que afeta a forma como as energias dos prótons são distribuídas e se eles podem atingir energias extremamente altas.
Para cada simulação, os investigadores calcularam a produção de neutrinos e a emissão de raios gama correspondente, e depois compararam os resultados com as observações reais.
Comparação dos resultados do IceCube e Fermi
O estudo combinou observações de vários observatórios importantes, incluindo KM3NeT/ARCA, o Observatório de Neutrinos IceCube e o Telescópio de Raios Gama Fermi da NASA.
Os pesquisadores não se concentraram apenas no que esses instrumentos observaram. Eles também levaram em conta o que não foi preservado.
Por exemplo, nenhum outro observatório de neutrinos, incluindo o IceCube, detectou eventos semelhantes de energia ultra-alta. Isto sugere que tais partículas são excepcionalmente raras, o que significa que qualquer explicação proposta também deve levar em conta a falta de detecções comparáveis.
O modelo blazar atendeu a essa restrição com sucesso.
A equipe também testou se a população proposta de blazares produziria muitos raios gama em comparação com o fundo gama extragaláctico conhecido medido pelo Fermi. Seus resultados permaneceram consistentes com as observações existentes.
Em última análise, os investigadores descobriram que uma população realista de blazares poderia explicar de forma plausível o evento incomum do neutrino.
“Modelámos uma população realista de blazares com parâmetros fisicamente motivados e descobrimos que esta população de blazares pode explicar a origem deste evento de energia ultra-alta, ao mesmo tempo que se ajusta às restrições que temos nas observações de raios gama e neutrinos,” diz Bendachmann.
KM3NeT pode detectar eventos cósmicos ainda mais extremos
Os cientistas alertam que são necessárias mais evidências antes que a explicação do blazar possa ser confirmada.
“Precisamos de mais dados observacionais”, explica Bendachman. “O KM3NeT ainda está em desenvolvimento e detectámos este neutrino de energia ultra-alta com apenas uma configuração parcial. Com o detector completo e dados adicionais, seremos capazes de realizar análises estatísticas mais poderosas e abrir uma nova janela para o universo dos neutrinos de energia ultra-alta.”
Se observações futuras confirmarem esta teoria, as descobertas poderão mudar a compreensão dos cientistas sobre como funcionam os blazares e quão poderosos podem tornar-se.
“Nunca vimos um neutrino de tão alta energia antes, e se ele vier de aceleradores cósmicos como os blazares”, conclui Bendachmann, “isso nos dará uma nova visão sobre como esses objetos podem emitir partículas com energias que excedem o que esperávamos anteriormente”.
