p A origem dos neutrinos cósmicos de alta energia observados pelo Observatório de Neutrinos IceCube, cujo detector está enterrado nas profundezas do gelo da Antártica, é um enigma que deixou físicos e astrônomos perplexos. Um novo modelo poderia ajudar a explicar o fluxo inesperadamente grande de alguns desses neutrinos inferidos por dados recentes de neutrinos e raios gama. Um artigo de pesquisadores da Penn State descrevendo o modelo, que aponta para os buracos negros supermassivos encontrados nos núcleos das galáxias ativas como as fontes desses neutrinos misteriosos, aparece 30 de junho, 2020 na revista Cartas de revisão física . p "Neutrinos são partículas subatômicas tão minúsculas que sua massa é quase zero e raramente interagem com outras matérias, "disse Kohta Murase, professor assistente de física e de astronomia e astrofísica na Penn State e membro do Center for Multimessenger Astrophysics no Institute for Gravitation and the Cosmos (IGC), quem liderou a pesquisa. "Neutrinos cósmicos de alta energia são criados por aceleradores energéticos de raios cósmicos no universo, que podem ser objetos astrofísicos extremos, como buracos negros e estrelas de nêutrons. Eles devem ser acompanhados por raios gama ou ondas eletromagnéticas com energias mais baixas, e às vezes até ondas gravitacionais. Então, esperamos que os níveis desses vários 'mensageiros cósmicos' que observamos estejam relacionados. Interessantemente, os dados do IceCube indicaram um excesso de emissão de neutrinos com energias abaixo de 100 teraelétrons volt (TeV), em comparação com o nível de raios gama de alta energia correspondentes vistos pelo Telescópio Espacial Fermi de raios gama. "

p Os cientistas combinam informações de todos esses mensageiros cósmicos para aprender sobre os eventos no universo e reconstruir sua evolução no campo florescente da "astrofísica multimensageiro". Para eventos cósmicos extremos, como grandes explosões estelares e jatos de buracos negros supermassivos, que criam neutrinos, esta abordagem ajudou os astrônomos a localizar as fontes distantes e cada mensageiro adicional fornece pistas adicionais sobre os detalhes dos fenômenos.

p Para neutrinos cósmicos acima de 100 TeV, pesquisas anteriores do grupo da Penn State mostraram que é possível ter concordância com raios gama de alta energia e raios cósmicos de ultra-alta energia que se encaixam em uma imagem multimensageira. Contudo, há evidências crescentes de um excesso de neutrinos abaixo de 100 TeV, que não pode ser simplesmente explicado. Muito recentemente, o Observatório de Neutrinos IceCube relatou outro excesso de neutrinos de alta energia na direção de uma das galáxias ativas mais brilhantes, conhecido como NGC 1068, no céu do norte.

p "Sabemos que as fontes de neutrinos de alta energia também devem criar raios gama, então a questão é:onde estão esses raios gama ausentes? ", disse Murase." As fontes estão de alguma forma escondidas de nossa visão em raios gama de alta energia, e o orçamento de energia dos neutrinos liberados no universo é surpreendentemente grande. Os melhores candidatos para este tipo de fonte têm ambientes densos, onde os raios gama seriam bloqueados por suas interações com a radiação e a matéria, mas os neutrinos podem escapar prontamente. Nosso novo modelo mostra que os sistemas de buracos negros supermassivos são locais promissores e o modelo pode explicar os neutrinos abaixo de 100 TeV com requisitos energéticos modestos. "

p O novo modelo sugere que a corona - a aura de plasma superquente que envolve estrelas e outros corpos celestes - em torno de buracos negros supermassivos encontrados no centro das galáxias, poderia ser essa fonte. Análogo à corona vista em uma foto do Sol durante um eclipse solar, os astrofísicos acreditam que os buracos negros têm uma coroa acima do disco giratório de material, conhecido como disco de acreção, que se forma em torno do buraco negro através de sua influência gravitacional. Esta corona é extremamente quente (com uma temperatura de cerca de um bilhão de graus Kelvin), magnetizado, e turbulento. Neste ambiente, partículas podem ser aceleradas, o que leva a colisões de partículas que criariam neutrinos e raios gama, mas o ambiente é denso o suficiente para impedir a fuga de raios gama de alta energia.

p "O modelo também prevê contrapartes eletromagnéticas das fontes de neutrino em raios gama 'suaves' em vez de raios gama de alta energia, "disse Murase." Os raios gama de alta energia seriam bloqueados, mas este não é o fim da história. Eles seriam eventualmente colocados em cascata para reduzir as energias e liberados como raios gama 'suaves' na faixa de volt de megaelétrons, mas a maioria dos detectores de raios gama existentes, como o Telescópio Espacial Fermi de raios gama, não estão sintonizados para detectá-los. "

p Existem projetos em desenvolvimento que são projetados especificamente para explorar essa emissão de raios gama suave do espaço. Além disso, detectores de neutrino futuros e de próxima geração, KM3Net no Mar Mediterrâneo e IceCube-Gen2 na Antártica serão mais sensíveis às fontes. Os alvos promissores incluem NGC 1068 no céu do norte, para o qual a emissão de neutrino em excesso foi relatada, e várias das galáxias ativas mais brilhantes no céu do sul.

p "Esses novos detectores de raios gama e neutrino permitirão pesquisas mais profundas para a emissão de multissageiros de buracos negros coronae supermassivos, "disse Murase." Isso tornará possível examinar criticamente se essas fontes são responsáveis ​​pelo grande fluxo de neutrinos de nível médio de energia observado pelo IceCube como nosso modelo prevê. "