Os neutrinos são uma das partículas fundamentais do universo. Eles têm uma existência quase fantasmagórica, sem carga elétrica, com massa muito pequena e interações extremamente reduzidas com a matéria. São também as partículas com massa mais abundantes no universo e podem ser criados por meio de diversos processos, como o decaimento de partículas pesadas, reações nucleares no Sol e explosões estelares.

Instrumentos na Terra detectam neutrinos de alta energia vindos do espaço desde a década de 1960, e identificar sua origem tem sido um desafio de longa data na astronomia. Embora os cientistas tenham identificado um pequeno número de fontes de neutrinos próximas, eles não conseguem explicar o número total de neutrinos que nossos instrumentos medem vindos de todo o universo, conhecido como fundo cósmico de neutrinos . Os astrônomos, portanto, suspeitam que outras populações de fontes importantes existam, mas permaneçam ocultas.

Em um estudo publicado na Nature Astronomy , uma equipe liderada por Yuji Urata, da MITOS Science Co. LTD., em Taiwan, apresenta a análise de uma nova candidata a fonte de neutrinos: uma galáxia extremamente brilhante, JCMT0402?0424, apelidada de "Shadow Blaster". Essa galáxia está localizada a cerca de 11 bilhões de anos-luz de distância, possui trilhões de vezes a luminosidade do Sol no infravermelho e pode fornecer a tão procurada ligação entre a produção de neutrinos de alta energia e galáxias distantes com formação estelar.

A descoberta foi feita em parte usando observações do telescópio Gemini Norte, uma das metades do Observatório Internacional Gemini. O estudo também utilizou observações do Telescópio James Clerk Maxwell (JCMT), operado pelo Observatório do Leste Asiático, e do Submillimeter Array (SMA), uma operação conjunta entre o Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian e o Instituto de Astronomia e Astrofísica da Academia Sinica. Todos os três telescópios estão localizados no topo do Maunakea, no Havaí.

Em 2021, o Observatório de Neutrinos IceCube da NSF, na Antártida, alertou a comunidade científica sobre um evento de neutrino de alta energia, denominado IC 210922A, proveniente de uma região do espaço na direção da constelação de Eridanus. Esse alerta desencadeou observações de acompanhamento rápidas em todo o espectro eletromagnético para buscar um sinal correspondente que — se detectado — pudesse ajudar a identificar a fonte do neutrino.

Diversas equipes de cientistas realizaram observações de acompanhamento usando uma variedade de telescópios e instrumentos. No entanto, nenhuma delas relatou uma contraparte convincente em raios gama, raios X ou luz, nem qualquer explosão de raios gama, supernova ou evento de ruptura de maré que pudesse ser associado ao alerta.

Então, alguns dias após o alerta inicial, Urata e sua equipe iniciaram observações com o JCMT e o SMA e descobriram a galáxia Shadow Blaster , cuja localização e brilho a tornaram uma candidata promissora para a fonte do sinal. Para investigar melhor essa galáxia, a equipe organizou observações de acompanhamento com o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), gerenciado para a América do Norte pelo Observatório Nacional de Radioastronomia da NSF, e descobriram que Shadow Blaster está localizada atrás de uma forte lente gravitacional.

Graças a esse efeito de lente gravitacional, a equipe conseguiu estudar a estrutura interna da Shadow Blaster, que de outra forma estaria muito distante e tênue para ser resolvida com tantos detalhes. No entanto, para usar o efeito de lente gravitacional corretamente e entender o quanto a lente amplificou o sinal de neutrinos, eles primeiro precisavam saber a distância, a natureza e a distribuição de massa da galáxia em primeiro plano. Para decifrar esses detalhes, eles usaram dois instrumentos poderosos no Gemini Norte: o Espectrógrafo Multiobjeto Gemini (GMOS) e o Espectrógrafo de Infravermelho Próximo Gemini (GNIRS).

"Os dados combinados do GMOS e do GNIRS nos ajudaram a medir a distância até a galáxia que causa o efeito lente e a determinar que se trata de uma galáxia elíptica massiva. Essa informação foi crucial para estimar a distribuição de massa da lente e construir um modelo da lente gravitacional", afirma Urata.

A combinação do modelo de lente com os dados de imagem do ALMA revelou que a região central de Shadow Blaster contém um núcleo extremamente compacto, densamente preenchido com gás e poeira, e que forma novas estrelas a uma taxa intensa. Modelos teóricos preveem que um ambiente tão extremo pode atuar como um acelerador de partículas natural, onde partículas energéticas colidem repetidamente com o gás e produzem neutrinos.

Além disso, Shadow Blaster não apresenta nenhuma característica de possuir um buraco negro ativo. Isso sugere fortemente que neutrinos de alta energia podem ser produzidos não apenas por jatos espetaculares de buracos negros, como os cientistas observaram em galáxias próximas, mas também pela formação estelar intensa e densa que é comum em galáxias muito distantes.

"Essa descoberta demonstra como detectores de partículas e telescópios se tornam muito mais impactantes quando trabalham em conjunto, abrindo uma poderosa janela 'multimensageira' para o universo", afirma Martin Still, diretor de programa do Escritório de Infraestrutura de Pesquisa da NSF. "Ao combinar sinais de partículas e luz, os cientistas podem explorar ambientes e eventos cósmicos distantes com detalhes sem precedentes, revelando fenômenos que antes eram apenas teóricos."

Há cerca de 10 bilhões de anos, o universo era povoado por galáxias como a Shadow Blaster, que estavam ativamente formando estrelas. Nessa época, teoricamente, as galáxias produziam grandes quantidades de raios cósmicos, que são fluxos de partículas de alta energia capazes de gerar neutrinos. No entanto, obter evidências observacionais que liguem um evento de neutrino individual a uma galáxia tão distante tem sido extremamente difícil, pois essas galáxias estão muito longe e frequentemente escondidas sob espessas camadas de poeira. A localização fortuita da Shadow Blaster atrás de uma lente gravitacional torna a busca por essas evidências observacionais muito mais fácil.

"Shadow Blaster possui o tipo de ambiente denso e rico em gás que os modelos teóricos há muito sugerem ser capaz de produzir neutrinos de alta energia de forma eficiente", diz Urata.

Considerando a ausência de qualquer contraparte mais convincente, apesar de extensas buscas subsequentes, Shadow Blaster é o candidato mais plausível para a origem de IC 210922A.

"Se confirmado, Shadow Blaster seria a primeira galáxia individual empoeirada com formação estelar diretamente ligada a um evento de neutrinos de alta energia", continua Urata.

Galáxias compactas com formação estelar, como a Shadow Blaster, podem ser numerosas em todo o universo. Como população, elas podem, portanto, contribuir com uma fração significativa do fundo de neutrinos de alta energia que preenche o cosmos.

"Nossa análise sugere que essa população pode contribuir com até aproximadamente 20% do ruído de fundo difuso de neutrinos observado e medido pelo IceCube", afirma Urata.