Tecnologia Científica

Partícula fantasma de estrela fragmentada revela acelerador de partículas cósmicas
Cerca de metade dos destroços da estrela foram lançados no espaço, enquanto a outra metade assentou em um disco giratório em torno do buraco negro.
Por Deutsches Elektronen-Synchrotron - 22/02/2021


Pistola fumegante: depois que o buraco negro supermassivo rasgou a estrela, cerca de metade dos detritos da estrela foi arremessado de volta para o espaço, enquanto o restante formou um disco de acreção brilhante ao redor do buraco negro. O sistema brilhou intensamente em muitos comprimentos de onda e acredita-se que tenha produzido fluxos energéticos semelhantes a jato perpendiculares ao disco de acreção. Um motor central e poderoso perto do disco de acreção expeliu essas partículas subatômicas rápidas. Crédito: DESY, Laboratório de Comunicação Científica

Rastreando uma partícula fantasmagórica até uma estrela fragmentada, os cientistas descobriram um gigantesco acelerador de partículas cósmicas. A partícula subatômica, chamada de neutrino, foi arremessada 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 interrupção da maré' (TDE) e fornece evidências de que essas catástrofes cósmicas pouco compreendidas podem ser poderosos aceleradores de partículas naturais, como relata a equipe liderada pelo cientista do DESY Robert Stein no jornal Nature Astronomy. As observações também demonstram o poder de explorar o cosmos por meio de uma combinação de diferentes 'mensageiros', como fótons (as partículas de luz) e neutrinos, também conhecida como astronomia de multimensageiros.

O neutrino começou sua jornada há cerca de 700 milhões de anos, na época em que os primeiros animais se desenvolveram na Terra. Esse é o tempo de viagema partícula precisava ir da distante galáxia sem nome (catalogada como 2MASX J20570298 + 1412165) na constelação de Delphinus (o golfinho) para a Terra. Os cientistas estimam que o enorme buraco negro tenha a massa de 30 milhões de sóis. "A força da gravidade fica cada vez mais forte, quanto mais perto você chega de algo. Isso significa que a gravidade do buraco negro puxa o lado próximo da estrela com mais força do que o lado oposto da estrela, levando a um efeito de alongamento", explica Stein. "Essa diferença é chamada de força de maré e, à medida que a estrela se aproxima, esse alongamento se torna mais extremo. Eventualmente, ele dilacera a estrela e então chamamos de evento de interrupção da maré. É o mesmo processo que leva às marés oceânicas na Terra , mas felizmente para nós, a lua não puxa com força suficiente para despedaçar a Terra. "

Cerca de metade dos destroços da estrela foram lançados no espaço, enquanto a outra metade assentou em um disco giratório em torno do buraco negro. Esse disco de acreção é um pouco semelhante ao vórtice de água acima do ralo de uma banheira. Antes de mergulhar no esquecimento, a matéria do disco de acreção fica cada vez mais quente e brilha intensamente. Este brilho foi detectado pela primeira vez pelo Zwicky Transient Facility (ZTF) no Monte Palomar, na Califórnia, em 9 de abril de 2019.

Meio ano depois, em 1º de outubro de 2019, o detector de neutrinos IceCube no Pólo Sul registrou um neutrino extremamente energético da direção do evento de interrupção da maré. "Ele se chocou contra o gelo da Antártica com uma energia notável de mais de 100 teraeletronvolts", diz a co-autora Anna Franckowiak do DESY, que agora é professora da Universidade de Bochum. "Para efeito de comparação, isso é pelo menos dez vezes a energia máxima das partículas que pode ser alcançada no acelerador de partículas mais poderoso do mundo, o Large Hadron Collider no laboratório europeu de física de partículas CERN perto de Genebra."

Extremamente leve

Os neutrinos extremamente leves dificilmente interagem com alguma coisa, podendo passar despercebidos não apenas pelas paredes, mas por planetas ou estrelas inteiros, e por isso são freqüentemente chamados de partículas fantasmas. Portanto, mesmo capturar apenas um neutrino de alta energia já é uma observação notável. A análise mostrou que este neutrino em particular tinha apenas uma chance em 500 de ser puramente coincidente com o TDE. A detecção levou a mais 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 da maré e 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 poderoso perto do disco de acreção, expelindo partículas rápidas. E a análise combinada de dados de telescópios de rádio, ópticos e ultravioleta nos dá mais evidências de que o TDE atua como um acelerador de partículas gigantesco. "

Coração das trevas: uma visão do disco de acreção ao redor do buraco negro supermassivo,
com estruturas em forma de jato fluindo para longe do disco. A massa extrema do buraco
negro dobra o espaço-tempo, permitindo que o lado oposto do disco de acreção seja visto
como uma imagem acima e abaixo do buraco negro. Crédito: DESY, Laboratório
de Comunicação Científica

As observações são melhor explicadas por uma saída energética de jatos rápidos de matéria disparados para fora do sistema, que são produzidos pelo motor central e duram centenas de dias. Isso também é o que é necessário para explicar os dados observacionais, como Walter Winter, chefe do grupo teórico de astropartícula física do DESY, e sua colega teórica Cecilia Lunardini, da Arizona State University, mostraram em um modelo teórico publicado na mesma edição da Nature. Astronomia. "O neutrino surgiu relativamente tarde, meio ano após o início da festa das estrelas. Nosso modelo explica esse momento naturalmente", diz Winter.

O acelerador cósmico expele diferentes tipos de partículas, mas além dos 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 da fonte em direção à Terra e, assim, tornar-se mensageiros valiosos de tais sistemas.

"As observações combinadas demonstram o poder da astronomia de multimensageiros", diz o co-autor Marek Kowalski, chefe de astronomia de neutrinos do DESY e professor da Universidade Humboldt em Berlim. “Sem a detecção do evento de interrupção da maré, o neutrino seria apenas um de muitos. E sem o neutrino, a observação do evento de interrupção da maré 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 o evento de interrupção da maré foi encontrada por um pacote de software sofisticado chamado AMPEL, desenvolvido especificamente no DESY para pesquisar correlações entre neutrinos do IceCube e objetos astrofísicos detectados pelo Zwicky Transient Facility.

Ponta do iceberg?

O Zwicky Transient Facility foi projetado para capturar centenas de milhares de estrelas e galáxias em uma única foto e pode pesquisar o céu noturno de maneira particularmente rápida. Em seu coração está o telescópio Samuel-Oschin de 1,3 m de diâmetro. Graças ao seu amplo campo de visão, o ZTF pode varrer todo o céu durante três noites, encontrando objetos mais variáveis ​​e transitórios do que qualquer outro levantamento óptico anterior. "Desde o nosso início em 2018, detectamos mais de 30 eventos de interrupção das marés até agora, mais do que dobrando o número conhecido de tais objetos", disse Sjoert van Velzen do Observatório de Leiden, co-autor do estudo. "Quando percebemos que o segundo TDE mais brilhante observado por nós era a fonte de um neutrino de alta energia registrado pelo IceCube, ficamos emocionados."

"Podemos estar vendo apenas a ponta do iceberg aqui. No futuro, esperamos encontrar muito mais associações entre os neutrinos de alta energia e suas fontes", disse Francis Halzen, professor da Universidade de Wisconsin-Madison e principal investigador da IceCube, que não estava diretamente envolvido no estudo. "Há uma nova geração de telescópios sendo construídos que fornecerão maior sensibilidade a TDEs e outras fontes de neutrinos potenciais. Ainda mais essencial é a extensão planejada do detector de neutrino IceCube, que aumentaria o número de detecções de neutrinos cósmicos em pelo menos dez vezes." Esta TDE marca apenas a segunda vez, um neutrino cósmico de alta energia pode ser rastreado até sua fonte. Em 2018, uma campanha multi-mensageiro apresentou uma galáxia ativa, o blazar TXS 0506 + 056.

 

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