Detecção de neutrinos constrói um mapa fantasmagórico da Via Láctea

A partir de partículas fantasmagóricas, os astrofísicos montaram um novo mapa da galáxia em que vivemos.

Por enquanto, esse mapa da Via Láctea está embaçado e incompleto. Mas, à medida que mais dados forem coletados, eles se tornarão mais claros e ajudarão a iluminar convulsões galácticas como os restos em expansão de estrelas que explodiram, fornecendo pistas para mistérios difíceis de resolver apenas com observações de telescópios convencionais.

“Esta é a primeira vez que vemos nossa própria galáxia em algo diferente da luz”, disse Naoko Kurahashi Neilson, professor de física na Drexel University, na Filadélfia, que teve a ideia de que uma nova visão da galáxia poderia ser obtida. de partículas conhecidas como neutrinos.

O Dr. Kurahashi Neilson e os mais de 350 outros cientistas que colaboram na análise de dados de um detector de neutrinos no Pólo Sul relataram suas descobertas em um artigo publicado na quinta-feira na revista Science.

“Este é finalmente o começo da astronomia de neutrinos”, disse John G. Learned, físico da Universidade do Havaí que não participou da pesquisa.

Desde que as pessoas olham para o céu noturno, elas veem a faixa de luz difusa das estrelas dentro da galáxia. Telescópios sofisticados pesquisaram a Via Láctea em todo o espectro de luz, desde ondas de rádio até raios gama de energia ultra-alta. Mas todas essas são formas de luz.

Os neutrinos são completamente diferentes: são partículas ejetadas de uma variedade de reações subatômicas e são uma das partículas mais comuns no universo. Mas eles pesam quase nada e raramente interagem com qualquer coisa.

No fundo da Terra, os cientistas transformaram um quarto de milha cúbica de gelo antártico no Observatório IceCube Neutrino. O gelo fornece massa suficiente para que um em cada milhão de neutrinos que passam atinja alguma coisa, liberando um flash de luz que pode ser capturado por mais de 5.000 tubos fotomultiplicadores congelados no gelo.

Em novembro passado, a equipe do IceCube relatou a detecção de cerca de 80 neutrinos de NGC 1068, uma galáxia a apenas 47 milhões de anos-luz da Terra. Esses neutrinos provavelmente foram expelidos quando o buraco negro supermassivo em seu centro devorou ​​vorazmente a matéria que caiu nele.

Curiosamente, não havia neutrinos que os astrônomos pudessem dizer com segurança que vieram de dentro da nossa galáxia, a Via Láctea. De certa forma, isso não era surpreendente. O buraco negro no centro da Via Láctea é muito mais silencioso do que o de NGC 1068. Mas os astrofísicos esperavam que houvesse outros fenômenos que gerariam neutrinos de alta energia suficientes para aparecer no IceCube.

Um obstáculo para ligar neutrinos a eventos na Via Láctea foi a colocação do detector IceCube no Hemisfério Sul, onde nossa galáxia é mais prontamente observada.

“Você pensaria que é melhor porque o detector está no Hemisfério Sul”, disse o Dr. Kurahashi Neilson. Mas, em vez disso, as partículas criadas quando os raios cósmicos de alta energia atingem as moléculas na atmosfera da Terra eliminam o sinal de neutrino que os astrônomos geralmente procuram.

“É quase como tentar ver a Via Láctea em Los Angeles”, disse o Dr. Kurahashi Neilson.

Cerca de cinco anos atrás, ela teve uma ideia. Em vez dos sinais de neutrinos nos quais os astrônomos se concentraram até então – longos rastros de luz que apontam para sua origem distante – o Dr. Kurahashi Neilson queria analisar as cascatas esféricas de luz que os neutrinos também podem gerar dentro do IceCube, que não são tão útil para determinar as origens das partículas.

“É como uma bolha de luz”, disse ela. “Costumávamos jogá-lo fora em termos de astronomia.”

Mas as bolhas não são completamente simétricas em todas as direções – assim como uma pedra jogada em um lago cria ondulações que nem sempre são exatamente circulares – então uma direção para o neutrino ainda pode ser inferida.

“Acho que a maioria dos meus colaboradores não acreditava que isso fosse viável naquela época”, disse o Dr. Kurahashi Neilson. “Você quer ir além, mas não quer fazer algo que é impossível de fazer. Então você tem todas essas ideias que estão no limite, e você tem que escolher uma que você acha que pode realmente funcionar.”

Steve Sclafani, aluno de pós-graduação que trabalha com o Dr. Kurahashi Neilson na Drexel, que agora é pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Maryland, e Mirco Hünnefeld, aluno de pós-graduação da Universidade Técnica de Dortmund, na Alemanha, lideraram a análise, aproveitando os avanços na aprendizado de máquina, um ramo da inteligência artificial.

“Estamos realmente procurando uma agulha no palheiro”, disse Hünnefeld.

Para evitar a possibilidade de se enganarem, a análise de 10 anos de dados do IceCube foi realizada às cegas. Os pesquisadores não observaram nenhum dos resultados intermediários, e os cientistas não sabiam até o final se sua análise havia revelado algum neutrino da Via Láctea. “Foi totalmente possível que abrimos aquela caixa e vimos zero”, disse o Dr. Sclafani.

Em vez disso, a análise revelou centenas de neutrinos que vieram do plano galáctico da Via Láctea. Parece haver alguma correlação entre neutrinos e raios gama, a forma de luz de maior energia. Ambos são criados na cascata de partículas que se espalham quando raios cósmicos de alta energia se chocam contra outras partículas, como moléculas de gás hidrogênio no espaço interestelar.

Há um ponto brilhante sugestivo perto do centro galáctico – talvez neutrinos gerados pelo buraco negro supermassivo da Via Láctea – mas “não é tão estatisticamente significativo”, disse o Dr. Kurahashi Neilson. À medida que mais dados são coletados, as emissões de neutrinos do centro da galáxia se tornarão distintas – ou desaparecerão porque foi apenas um acaso estatístico.

A chuva de raios cósmicos, raios gama e neutrinos na Terra mostra que o universo é tudo menos calmo, com estrelas explodindo e buracos negros engolindo seus arredores.

“Estamos vendo todos esses processos incrivelmente violentos e energéticos”, disse Regina M. Caputo, astrofísica do Goddard Space Flight Center da NASA em Maryland, que não esteve envolvida com o projeto IceCube.

Elizabeth A. Hays, cientista do projeto do Telescópio Espacial Fermi Gamma-Ray da NASA, disse que o IceCube fornecerá uma visão nova e diferente. “Agora que também temos os neutrinos”, disse ela, “podemos olhar para essas coisas juntas para realmente entender de onde vem a matéria energética, em nossa galáxia e além dela”.