Astrônomos rastreiam uma partícula cósmica misteriosa até a distante galáxia ‘Shadow Blaster’

Uma galáxia distante de formação de estrelas, apelidada de “Shadow Blaster”, pode ter enviado uma partícula cósmica misteriosa em direção à Terra.

Os astrônomos acreditam ter rastreado a origem da partícula a 11 bilhões de anos-luz de distância, marcando um passo à frente na compreensão dos misteriosos neutrinos.

Os neutrinos são abundantes em todo o universo, ganhando a reputação de “partículas misteriosas” 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 perturbações”, disse o Dr. Yuji Urata, pesquisador da empresa de pesquisa astronômica sediada em Taiwan MITOS Science Co. Ltda. “Mesmo quando o IceCube detecta um neutrino de alta energia, a posição no céu frequentemente tem uma região de incerteza que é muito maior do que o tamanho de uma galáxia.”

E se a fonte for um objeto que permanece estável em brilho e não brilha com atividade, focar na origem do neutrino parece impossível.

Mas o autor principal, Urata, e sua equipe, encontraram um golpe de sorte, de acordo com o estudo publicado em 17 de junho no periódico Astronomia da Natureza.

Uma coincidência cósmica iluminou a galáxia Shadow Blaster logo após a detecção de um neutrino de alta energia na Terra, sugerindo uma explosão de atividade que levou os pesquisadores direto para a galáxia — e pode apontar para uma nova maneira de buscar as origens das partículas.

Como a galáxia Shadow Blaster ganhou seu apelido

Em 2021, o detector IceCube, que possui sensores incorporados profundamente no gelo antártico, 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 estava envolvido no estudo.

O evento que criou o neutrino, batizado de IC 210922A, pareceu ocorrer na direção da constelação de Eridanus, e o observatório emitiu 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, em detectar quaisquer estrelas explodindo, explosões de raios gama, raios X ou componentes de luz visível que pudessem estar associados ao neutrino.

“Os neutrinos sozinhos nos dizem que algo energético aconteceu em algum lugar do céu, mas geralmente não nos dizem exatamente qual é a fonte, a que distância está ou que tipo de objeto os produziu”, escreveu Urata em um e-mail. “Para responder a essas perguntas, precisamos de luz: observações de rádio, submilimétricas, infravermelhas, ópticas, raios X e raios gama.”

Dias após a divulgação do alerta, Urata e seus colegas realizaram observações com o Telescópio James Clerk Maxwell do Observatório do Leste Asiático, bem como com o Arranjo Submilimétrico, ambos localizados perto do topo de Mauna Kea, no Havaí. Eles descobriram uma galáxia rica em formação de estrelas chamada JCMT0402−0424.

A galáxia tinha trilhões de vezes a luminosidade do nosso sol em luz infravermelha, e estava na localização certa para estar potencialmente conectada ao neutrino.

A equipe apelidou a galáxia de Shadow Blaster, porque ela é cheia de poeira, tornando-a quase invisível na luz óptica, raios X ou raios gama, disse Urata.

Blaster refere-se à ideia de que, apesar de sua natureza oculta, a galáxia pode ser uma fonte poderosa de partículas de alta energia e neutrinos, acrescentou ele.

Quando os pesquisadores realizaram observações adicionais de acompanhamento usando o Grande Arranjo Milimétrico/Submilimétrico do Atacama no Chile, perceberam que a Shadow Blaster estava localizada atrás de uma lente gravitacional.

A lente gravitacional ocorre quando uma grande galáxia em primeiro plano de uma observação amplia uma galáxia distante atrás dela, agindo como uma lupa cósmica.

“Esse efeito de lente magnificou a galáxia e nos permitiu estudar uma região oculta e compacta de formação de estrelas que, de outra forma, teria sido muito mais difícil de detectar”, disse Urata.

Possivelmente uma fonte fundamental de neutrinos de alta energia

Berçários estelares densos em galáxias, como o da Shadow Blaster que forma novas estrelas a um ritmo poderoso, podem fornecer ambientes de gás, radiação e magnéticos que agem como aceleradores de partículas para produzir neutrinos, acrescentou ele.

“Galáxias de formação estelar são galáxias que produzem muitas estrelas, algumas das quais são massivas e queimam rapidamente, explodindo em supernovas, provavelmente acelerando raios cósmicos no processo”, disse Justin Vandenbroucke, professor no departamento de física e no Centro de Astrofísica de Partículas IceCube de Wisconsin na Universidade de Wisconsin-Madison. Ele não estava envolvido no estudo.

Durante os primeiros dias do universo, há 10 bilhões de anos, houve uma explosão intensa de formação de estrelas em galáxias como a Shadow Blaster. As galáxias também formaram raios cósmicos, as partículas de maior energia no universo, que podem criar neutrinos.

Mas fazer a conexão entre neutrinos e galáxias de formação estelar tem sido uma tarefa difícil, dado que a maioria das galáxias está distante e fraca devido à quantidade de poeira que contém — um ingrediente essencial na formação de estrelas. Ser capaz de espiar o interior da Shadow Blaster com uma lente gravitacional facilitou essa dificuldade, disse Urata.

Galáxias de formação estelar, como a Shadow Blaster, podem ser uma fonte fundamental de neutrinos de alta energia.

“Nossa análise sugere que essa população poderia contribuir com até aproximadamente 20% do fundo difuso de neutrinos observado e medido pelo IceCube”, disse Urata.

Encontrar a galáxia certa nas proximidades de onde o neutrino veio pode ser uma coincidência acidental, observou Vandenbroucke.

Os pesquisadores “estimam que a probabilidade de ser uma coincidência acidental seja de cerca de 1%”, disse ele. “Detectar mais associações desse tipo entre esse tipo de galáxia e neutrinos de alta energia é necessário para estabelecer se elas são, de fato, fontes de neutrinos.”

Os cientistas também querem saber quais condições dentro de uma galáxia de 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 distantes, empoeiradas e massivas, disse Urata.

“Se algumas dessas galáxias também forem fontes de neutrinos, então os neutrinos podem fornecer uma maneira completamente nova de estudar como as galáxias formavam estrelas, construíam campos magnéticos e aceleravam raios cósmicos quando o universo era jovem”, acrescentou ele.

O estudo motivará a busca por associações mais profundas entre neutrinos e fontes potenciais daqui para frente, observou Blaufuss.

Encontrar neutrinos usando lentes gravitacionais também pode permitir um estudo mais profundo das partículas, que ainda se mostram misteriosas, apesar de sua detecção por décadas.

“Os neutrinos fornecem uma espécie de visão de super raio X, permitindo-nos estudar fenômenos que, de outra forma, estariam obscurecidos para os nossos telescópios, de forma análoga a como as máquinas de raio X nos permitem ver o interior de pessoas e objetos”, disse Vandenbroucke.

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