Astrônomos identificam origem de partícula que pode ajudar a contar a história do Universo

Equipe internacional de cientistas detecta fonte de neutrinos de alta energia; emissão das partículas subatômicas elementares encontradas no Polo Sul vem de um corpo celeste localizado a 3,7 bilhões de anos-luz da Terra, na Constelação de Órion.

Equipe internacional de cientistas detecta fonte de neutrinos de alta energia; emissão das partículas subatômicas elementares encontradas no Polo Sul vem de um corpo celeste localizado a 3,7 bilhões de anos-luz da Terra, na Constelação de Órion.

Astrônomos identificam origem de partícula que pode ajudar a contar a história do Universo

A cada segundo, cerca de 65 bilhões de neutrinos atravessam seu corpo e tudo o que está em volta na Terra sem deixar quase nenhum vestígio. Os cientistas já conheciam duas fontes dessa “partícula fantasma”: o Sol e as supernovas, que são as grandes explosões de estrelas gigantes. Agora, também foram detectados na Terra neutrinos vindos de um blazar –objeto celestial que concentra grande quantidade de energia e que está associado a um buraco negro.

Dois estudos publicados na revista Science nesta quinta-feira (12) trazem detalhes da descoberta. Os pesquisadores que participaram dos estudos analisaram dados coletados pelo observatório de neutrinos IceCube, localizado na Antártida.

Em 2013, o IceCube detectou um tipo de neutrino de alta energia. Os cientistas iniciaram então uma busca pela fonte dessa partícula. Em setembro de 2017, nova detecção revelou que a direção por onde chegavam os neutrinos na Terra é consistente com a posição do blazar TXS 0506+056. Esse objeto astronômico poderosamente energético produz um jato direcionado para a Terra enquanto seu material cai no buraco negro a ele associado.

Motivados por esta descoberta, os cientistas fizeram um levantamento de registros de neutrinos detectados pelo IceCube durante quase dez anos antes das recentes observações, encontrando diversos eventos vindos da direção onde está o blazar TXS 0506+056.

Partículas extremamente leves

Os neutrinos são partículas subatômicas muito mais leves que os elétrons e que interagem de maneira muito frágil com a matéria comum. Contudo, são abundantes no Universo. Além de se originarem no Sol, os neutrinos podem ser produzidos em reatores nucleares, em explosões atômicas e no decaimento de elementos radioativos.

No IceCube existem detectores de neutrinos enterrados em profundidades entre 1,5 km e 2,5 km. O estudo dos neutrinos é importante para que se possa entender questões fundamentais da composição do Universo, como sua massa, por exemplo.

Uma nova era de pesquisas especiais se inaugura nesta quinta-feira (12). Isso porque uma equipe internacional de astrônomos descobriu a fonte de neutrinos de alta energia encontrados no Polo Sul – e esta partícula misteriosa abre uma oportunidade para contar a história e esclarecer enigmas do próprio Universo.

A descoberta está na edição desta quinta da revista “Science” e foi divulgada em coletiva de imprensa na sede da National Science Foundation, em Alexandria, Virginia (EUA).

“Neutrinos de alta energia realmente nos fornecem uma nova janela para observar o Universo”, comenta o físico Darren Grant, da Universidade de Alberta, em entrevista à BBC News Brasil.

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Cientistas acham fonte de “partículas fantasmas” que atravessam a Terra

Grant é um dos mais de 300 pesquisadores de 49 instituições que integram o grupo IceCube Collaboration – responsável pela descoberta. “As propriedades dos neutrinos fazem deles um mensageiro astrofísico quase ideal. Como eles viajam de seu ponto de produção praticamente desimpedidos, quando são detectados, podemos analisar que eles transportaram informações de sua origem.”

Os neutrinos são partículas subatômicas elementares, ou seja, não há qualquer indício de que possam ser divididas em partes menores. São emitidos por explosões estelares e se deslocam praticamente à velocidade da luz.

Instalado no Polo Sul e em operação desde 2010, o IceCube é considerado o maior telescópio do mundo – mede um quilômetro cúbico. Levou dez anos para ser construído e fica sob o gelo antártico.

O IceCube consiste em um conjunto de mais de 5 mil detectores de luz, dispostos em uma grade e enterrados no gelo. É um macete científico. Quando os neutrinos interagem com o gelo, produzem partículas que geram uma luz azul – e, então, o aparelho consegue detectá-los. Ao mesmo tempo, o gelo tem a propriedade de funcionar como uma espécie de rede, isolando os neutrinos, facilitando sua observação.

Partícula é segredo do Universo
Desde a concepção do projeto, os cientistas tinham a intenção de monitorar tais partículas justamente para descobrir sua origem. A ideia é que isso dê pistas sobre a origem do próprio Universo. E é justamente isso que eles acabam de conseguir.

Os pesquisadores já sabem que a origem de neutrinos observados na Antártica são um blazar, ou seja, um corpo celeste altamente energético associado a um buraco negro no centro de uma galáxia. Este corpo celeste está localizado a 3,7 bilhões de anos-luz da Terra, na Constelação de Órion.

“Eis a descoberta-chave”, explica Grant. “Trata-se das primeiras observações multimídia de neutrinos de alta energia coincidentes com uma fonte astrofísica, no caso, um blazar. Esta é a primeira evidência de uma fonte de neutrinos de alta energia. E fornece também a primeira evidência convincente de uma fonte identificada de raios cósmicos.”

Cientistas acham fonte de "partículas fantasmas" que atravessam a Terra

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Conforme afirma o físico, a novidade é a introdução, no campo da astronomia, de uma nova habilidade para “ver” o universo. “Este é o primeiro passo real para sermos capazes de utilizar os neutrinos como uma ferramenta para visualizar os processos astrofísicos mais extremos do universo”, completa Grant.

“À medida que esse campo de pesquisa continua se desenvolvendo, também deveremos aprender sobre os mecanismos que impulsionam essa partículas. E, um dia, começaremos a estudar essa partícula fundamental da natureza em algumas das energias mais extremas imagináveis, muito além daquilo que podemos produzir na Terra.”

“Esta identificação lança um novo campo da astronomia de neutrinos de alta energia, e esperamos que traga avanços emocionantes em nossa compreensão do Universo e da física, incluindo como e onde essas partículas de energia ultra-alta são produzidas”, afirma o astrofísico Doug Cowen, da Universidade Penn State. “Por 20 anos, um dos nossos sonhos era identificar as fontes de neutrinos cósmicos de alta energia. Parece que finalmente conseguimos.”

Mapeando o desconhecido
Foram décadas em que astrônomos de todo o mundo procuraram detectar os chamados neutrinos cósmicos de alta energia, em tentativas frustradas de compreender onde e como essas partículas subatômicas são geradas com energias de milhares a milhões de vezes maiores do que as alcançadas no planeta Terra.

O IceCube conseguiu detectar pela primeira vez neutrinos do tipo em 2013. A partir de então, alertas eram disparados para a comunidade científica a cada nova descoberta. A partícula-chave, entretanto, só veio em 22 de setembro de 2017: o neutrino batizado de IceCube-170922A, com a impressionante energia de 300 trilhões de elétron-volts demonstrou aos cientistas uma trajetória.

“Apontando para um pequeno pedaço do céu na constelação de Órion”, relata a astrofísica Azadeh Keivani, da Universidade Penn State, coautora do artigo publicado pela Science. Tão logo a partícula foi identificada, de forma coordenada e automatizada, quatorze outros observatórios do mundo passaram a unir esforços para identificar sua origem, com telescópios de espectroscopia nuclear e observações de raio-X e ultravioleta.

Todos os dados gerados foram analisados pelo grupo internacional de cientistas até a conclusão de que a fonte era o buraco negro supermassivo a 3,7 bilhões de anos-luz da Terra.

Essa distância do planeta significa que as informações carregadas pelo neutrino são de 3,7 bilhões de anos atrás, supondo que o mesmo tenha viajado à velocidade da luz. Nesse ponto, compreender tais propriedades é como olhar para os confins do passado do Universo – atualmente, acredita-se que o Big Bang tenha ocorrido há 13,8 bilhões de anos.

Após concluir a origem do neutrino IceCube-170922A, os cientistas vasculharam os dados arquivados pelo detector de neutrinos e concluíram que outros 12 neutrinos identificados entre 2014 e 2015 também eram oriundos do mesmo blazar. Ou seja: há a possibilidade de comparar partículas com a mesma origem, aumentando assim a consistência da amostra.

De acordo com os cientistas do IceCube, essa detecção inaugura de forma incontestável a chamada “astronomia multimídia”, que combina a astronomia tradicional – em que os dados dependem da ação da luz – com novas ferramentas, como a análise dos neutrinos ou das ondas gravitacionais.

“É um campo novo, empolgante e veloz. Que proporciona aos pesquisadores novos insights sobre a maneira como o Universo funciona”, analisa o astrofísico Phil Evans, da Universidade de Leicester.

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