Conheça o acelerador de partículas mais poderoso que o LHC

Cientistas rastrearam uma partícula fantasma para uma estrela despedaçada e descobriram um gigantesco acelerador de partículas cósmico. A partícula subatômica, chamada de neutrino, foi lançada em direção à Terra depois que a estrela condenada chegou muito perto do buraco negro supermassivo no centro de sua galáxia e foi despedaçada pela gravidade colossal do buraco negro. É a primeira partícula que pode ser rastreada até um “evento de perturbação das marés” (EPM) e fornece evidências de que essas catástrofes cósmicas pouco compreendidas podem ser poderosos aceleradores de partículas naturais, como relata a equipe liderada pelo cientista da DESY Robert Stein na revista Nature Astronomy. As observações também demonstram o poder de explorar o cosmos através de uma combinação de diferentes “mensageiros” como fótons (partículas de luz) e neutrinos, também conhecidos como astronomia multi-mensageira.

O neutrino começou sua jornada há cerca de 700 milhões de anos, por volta da época em que os primeiros animais se desenvolveram na Terra. Esse é o tempo de viagem que da partícula, de uma galáxia distante e sem nome (catalogada como 2MASX J20570298+1412165) na constelação de Delphinus (O Golfinho) à Terra. Os cientistas estimam que o enorme buraco negro tem a massa de 30 milhões de sóis. “A força da gravidade fica mais e mais forte, quanto mais perto você chega de algo. Isso significa que a gravidade do buraco negro puxa o lado mais próximo da estrela mais fortemente do que o lado distante da estrela, levando a um efeito de alongamento” (também conhecido como espaguetificação), explica Stein. “Essa diferença é chamada de força de maré, e à medida que a estrela se aproxima, esse alongamento se torna mais extremo. Finalmente, ele despedaça a estrela, e então chamamos de um evento de interrupção das marés. É o mesmo processo que leva às marés oceânicas na Terra, mas felizmente para nós a lua não puxa forte o suficiente para destruir a Terra.”

Cerca de metade dos destroços da estrela foram arremessados para o espaço, enquanto a outra metade se estabeleceu em um disco giratório ao redor do buraco negro. Este disco de acreção é semelhante ao vórtice de água do ralo de uma pia. Antes de mergulhar no esquecimento, a matéria do disco de acreção fica mais e mais quente e brilha brilhantemente. Este brilho foi detectado pela primeira vez pela Zwicky Transient Facility (ZTF) no Monte Palomar, na Califórnia, em 9 de abril de 2019.

Meio ano depois, em 1 º de outubro de 2019, o detector de neutrinos IceCube no Polo Sul registrou um neutrino extremamente energético originado na direção do evento de interrupção das marés. “Ele colidiu com o gelo antártico com uma energia notável de mais de 100 teraelétron-volts”, diz a coautora Anna Franckowiak, da DESY, que agora é professora na Universidade de Bochum. “Em comparação, isso é pelo menos dez vezes a energia máxima de partículas que pode ser alcançada no acelerador de partículas mais poderoso do mundo, o Grande Colisor de Hádrons no CERN perto de Genebra.”

Extremamente leve

Os neutrinos são extremamente leves e dificilmente interagem com qualquer coisa, são capazes de passar despercebidos quando atravessam paredes, seu corpo ou mas planetas e estrelas. São, portanto, muitas vezes chamadas de partículas fantasma. Portanto flagrar um neutrino de alta energia é uma observação notável. A análise mostrou que este neutrino em particular tinha apenas uma em 500 chances de ser uma total coincidência com do EPM. A detecção provocou novas observações do evento com muitos instrumentos em todo o espectro eletromagnético, de ondas de rádio a raios-X.

“Este é o primeiro neutrino ligado a um evento de interrupção das marés, e isso nos traz evidências valiosas”, explica Stein. “Os eventos de interrupção das marés não são bem compreendidos. A detecção do neutrino aponta para a existência de um motor central e poderoso perto do disco de acreção, vomitando partículas rápidas. E a análise combinada de dados de telescópios de rádio, óptica e ultravioleta nos dá evidências adicionais de que o EPM age como um gigantesco acelerador de partículas.”

As observações são melhor explicadas por um fluxo energético de jatos rápidos de matéria sendo expelidos do sistema, que são produzidos pelo motor central e que duram centenas de dias. Isso também é o que seria necessário para explicar os dados observacionais, como Walter Winter, chefe do grupo teórico de física de astropartículas da DESY, e sua colega, a teorista Cecilia Lunardini, da Universidade Estadual do Arizona, mostraram em um modelo teórico publicado na mesma edição da Nature Astronomy “O neutrino surgiu relativamente tarde, meio ano após o início da deglutição da estrela. Nosso modelo explica esse momento naturalmente”, diz Winter.

O acelerador cósmico expele diferentes tipos de partículas, mas além de neutrinos e fótons, essas partículas são eletricamente carregadas e, portanto, desviadas por campos magnéticos intergalácticos em sua jornada. Apenas os neutrinos eletricamente neutros podem viajar em linha reta, como a luz, em direção à Terra e assim se tornar um mensageiro valioso de tais sistemas.

“As observações combinadas demonstram o poder da astronomia multi-mensageiro”, diz o coautor Marek Kowalski, chefe de astronomia de neutrinos da DESY e professor da Universidade Humboldt, em Berlim. “Sem a detecção do evento de interrupção das marés, o neutrino seria apenas um de muitos. E sem o neutrino, a observação do evento de perturbação das marés seria apenas um de muitos. Somente através da combinação poderíamos encontrar o acelerador e aprender algo novo sobre os processos internos.” A associação do neutrino de alta energia e do evento de interrupção das marés foi descoberta por um sofisticado software chamado AMPEL, desenvolvido especificamente na DESY para procurar correlações entre neutrinos do Icecube e objetos astrofísicos detectados pela Zwicky Transient Facility.

A ponta do iceberg?

A Zwicky Transient Facility foi projetada para capturar centenas de milhares de estrelas e galáxias em uma única foto e pode examinar o céu noturno extremamente rápido. Em seu coração está o Telescópio Samuel-Oschin de 1,3 m de diâmetro. Graças ao seu grande campo de visão, a ZTF pode escanear todo o céu em apenas três noites, encontrando mais objetos variáveis e transitórios do que qualquer outra pesquisa óptica antes dele. “Desde o nosso início em 2018, detectamos mais de 30 eventos de interrupção das marés, mais do que o dobro do número conhecido desses objetos”, diz Sjoert van Velzen, do Observatório de Leiden, coautor do estudo. “Quando percebemos que o segundo EPM mais brilhante observado por nós era a fonte de um neutrino de alta energia registrado pelo IceCube, ficamos entusiasmados.”

“Podemos estar vendo apenas a ponta do iceberg aqui. No futuro, esperamos encontrar muito mais associações entre neutrinos de alta energia e suas fontes”, diz Francis Halzen, professor da Universidade de Wisconsin-Madison e pesquisador principal do IceCube, que não estava diretamente envolvido no estudo. “Há uma nova geração de telescópios sendo construídos que fornecerão maior sensibilidade aos EPMs e outras fontes potenciais de neutrinos. Ainda mais essencial é a extensão planejada do detector de neutrinos IceCube, que aumentaria o número de detecções cósmicas de neutrinos em ao menos dez vezes.”

Mais informações: Um evento de interrupção das marés coincide com um neutrino de alta energia, a Nature Astronomy (2021). DOI: 10.1038/s41550-020-01295-8 , www.nature.com/articles/10.1038/s41550-020-01295-8