Traçando de volta uma partícula fantasmagórica a uma estrela desfiada, os cientistas descobriram um gigantesco acelerador de partículas cósmicas. A partícula subatômica, chamado de neutrino, foi arremessado em direção à Terra depois que a estrela condenada chegou muito perto do buraco negro supermassivo no centro de sua galáxia natal e foi despedaçada pela gravidade colossal do buraco negro. É a primeira partícula que pode ser rastreada até tal 'evento de interrupção da maré' (TDE) e fornece evidências de que essas catástrofes cósmicas pouco compreendidas podem ser poderosos aceleradores de partículas naturais, como a equipe liderada pelo cientista do DESY, Robert Stein, relata na revista 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 multi-mensageiro.

O neutrino começou sua jornada há cerca de 700 milhões de anos, por volta da época os primeiros animais se desenvolveram na Terra. Esse é o tempo de viagem que a partícula precisava para chegar do longe, 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, levando a um efeito de alongamento, "explica Stein." Essa diferença é chamada de força da maré, e conforme a estrela se aproxima, esse alongamento se torna mais extremo. Eventualmente, ele destrói 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 se estabeleceu em um disco giratório ao redor 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 1 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 coautora Anna Franckowiak do DESY, que agora é professor da Universidade de Bochum. "Para 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 nada, capaz de passar despercebido não apenas pelas paredes, mas por planetas ou estrelas inteiros, e são, portanto, freqüentemente chamados de partículas fantasmas. Então, até 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 uma central, motor potente perto do disco de acreção, expelindo partículas rápidas. E a análise combinada de dados de rádio, telescópios ópticos e ultravioleta nos dão evidências adicionais de que o TDE atua como um acelerador de partículas gigantesco. "

As observações são melhor explicadas por uma saída energética de jatos rápidos de matéria disparando para fora do sistema, que são produzidos pelo motor central e que 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 no DESY, e sua colega teórica Cecilia Lunardini da Arizona State University, mostraram em um modelo teórico publicado na mesma edição da Nature Astronomy. "O neutrino surgiu relativamente tarde, meio ano após o início do banquete das estrelas. Nosso modelo explica esse tempo naturalmente, "diz Winter.

O acelerador cósmico expele diferentes tipos de partículas, mas além de 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 multi-mensageiro, "diz o co-autor Marek Kowalski, chefe da astronomia de neutrinos no 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 uma entre muitas. Somente por meio 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, A ZTF pode varrer todo o céu durante três noites, encontrar objetos mais variáveis ​​e transitórios do que qualquer outro levantamento óptico antes dele. "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, "diz 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 neutrinos de alta energia e suas fontes, "diz Francis Halzen, Professor da Universidade de Wisconsin-Madison e Investigador Principal do IceCube, que não estava diretamente envolvido no estudo. “Há uma nova geração de telescópios sendo construídos que fornecerão maior sensibilidade aos TDEs e outras fontes de neutrinos em potencial. Ainda mais essencial é a extensão planejada do detector de neutrinos IceCube, isso 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, como a primeira fonte identificada de um neutrino de alta energia, gravado pela IceCube em 2017.