Telescópio Espacial Fermi, da NASA, identifica buraco negro como fontes de neutrinos

A descoberta de um neutrino de alta energia em 22 de setembro de 2017, colocou os astrônomos em uma perseguição para localizar sua fonte - um buraco negro supermassivo em uma galáxia distante.

Créditos: Goddard Space Flight Center da NASA.

Pela primeira vez, cientistas usando o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA descobriram a fonte de um neutrino de alta energia fora da nossa galáxia. Este neutrino viajou 3,7 bilhões de anos quase à velocidade da luz antes de ser detectado na Terra. Isso é mais do que qualquer outro neutrino cuja origem os cientistas possam identificar. 

Neutrinos de alta energia são partículas difíceis de capturar que os cientistas acham que são criadas pelos eventos mais poderosos do cosmos, como fusões de galáxias e material caindo em buracos negros supermassivos. Eles viajam a velocidades próximas da velocidade da luz e raramente interagem com outras matérias, permitindo-lhes viajar sem obstáculos a distâncias de bilhões de anos-luz.

O neutrino foi descoberto por uma equipe internacional de cientistas usando o IceCube Neutrino Observatory da National Science Foundation na Estação Amundsen-Scott South Pole. Fermi encontrou a fonte do neutrino traçando seu caminho de volta para uma explosão de luz de raios gama de um distante buraco negro supermassivo na constelação de Órion.

"Mais uma vez, o Fermi ajudou a dar outro passo gigantesco em um campo crescente que chamamos de astronomia multimídia", disse Paul Hertz, diretor da Divisão de Astrofísica da sede da NASA em Washington. Neutrinos e ondas gravitacionais fornecem novos tipos de informação sobre os ambientes mais extremos do universo. 

O Fermi da NASA (em cima, à esquerda) identificou um buraco negro monstruoso em uma galáxia distante como a fonte de um neutrino de alta energia visto pelo IceCube Neutrino Observatory (cordas de sensor, em baixo). Creditos: NASA/Fermi and Aurore Simonnet, Sonoma State University

Os cientistas estudam neutrinos, bem como raios cósmicos e raios gama, para entender o que está acontecendo em ambientes cósmicos turbulentos, como supernovas, buracos negros e estrelas. Neutrinos mostram os processos complexos que ocorrem dentro do ambiente, e os raios cósmicos mostram a força e a velocidade da atividade violenta. Mas, os cientistas confiam nos raios gama, a forma mais energética de luz, para sinalizar brilhantemente que uma fonte cósmica está produzindo esses neutrinos e raios cósmicos. 

“As explosões cósmicas mais extremas produzem ondas gravitacionais, e os aceleradores cósmicos mais extremos produzem neutrinos e raios cósmicos de alta energia”, diz Regina Caputo do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, coordenador de análise da Colaboração do Telescópio de Grandes Áreas Fermi. "Através do Fermi, os raios gama estão fornecendo uma ponte para cada um desses novos sinais cósmicos".

A descoberta é o assunto de dois trabalhos publicados quinta-feira na revista Science. O documento de identificação da fonte também inclui importantes observações de acompanhamento pelos Principais Telescópios de Imagens Atmosféricas com Gama Cherenkov e dados adicionais do Observatório Neil Gehrels Swift da NASA e muitas outras instalações.

Raios gama detectados por Fermi do TXS 0506 + 056 são mostrados como círculos em expansão. Seu tamanho máximo, cor - branco (baixo) a magenta (alto) - e o tom associado indicam a energia de cada raio. A primeira sequência mostra emissão típica; a segunda mostra a chama de 2017 levando à detecção de neutrinos. Créditos: NASA / DOE / Fermi LAT Collab., Matt Russo e Andrew Santaguida / SYSTEM Sounds

Em 22 de setembro de 2017, cientistas usando IceCube detectaram sinais de um neutrino atingindo o gelo da Antártida com energia de cerca de 300 trilhões de elétron-volts - mais de 45 vezes a energia alcançada no mais poderoso acelerador de partículas da Terra. Esta alta energia sugeria fortemente que o neutrino tinha que estar além do nosso sistema solar. Retrocedendo o caminho através do IceCube indicou de qual posição no céu veio o neutrino, e alertas automatizados notificaram astrônomos ao redor do globo para procurar nesta região por explosões que poderiam estar associadas com o evento. 

Dados do Telescópio de Grande Área de Fermi revelaram emissão de raios gama aumentadas de uma galáxia ativa bem conhecida no momento em que o neutrino chegou. Este é um tipo de galáxia ativa chamada blazar, com um buraco negro supermassivo, com milhões a bilhões de vezes a massa do Sol, que lança jatos de partículas para fora em direções opostas, quase à velocidade da luz. Os blazares são especialmente brilhantes e ativos porque um desses jatos aponta quase diretamente para a Terra. 

O cientista Yasuyuki Tanaka da Universidade de Hiroshima, no Japão, foi o primeiro a associar o evento de neutrino com o blazar designado TXS 0506 + 056 (abreviado como TXS 0506).

“O LAT do Fermi monitora todo o céu em raios gama e monitora a atividade de cerca de 2.000 blazares, mas o TXS 0506 realmente se destacou”, disse Sara Buson, bolsista de pós-doutorado da NASA em Goddard, que realizou a análise de dados com Anna Franckowiak, uma cientista no centro de pesquisa Deutsches Elektronen-Synchrotron em Zeuthen, Alemanha. “Este blazar está localizado perto do centro da posição do céu determinado pelo IceCube e, no momento da detecção de neutrinos, foi o Fermi mais ativo que o viu em uma década."

O Telescópio Espacial de Raios-Gama Fermi da NASA é uma parceria de astrofísica e física de partículas, desenvolvida em colaboração com o Departamento de Energia dos EUA e com contribuições importantes de instituições acadêmicas e parceiros na França, Alemanha, Itália, Japão, Suécia e Estados Unidos. O programa de pós-doutorado da NASA é administrado pela Associação de Pesquisas Espaciais da Universidade sob contrato com a NASA.

Via: NASA