Novo modelo conecta as origens dos neutrinos de altíssima energia, raios cósmicos de ultra alta energia, e raios gama de alta energia com jatos de buraco negro embutidos em seus ambientes.

Um dos maiores mistérios da física das astropartículas tem sido a origem dos raios cósmicos de energia ultra-alta, neutrinos de energia muito alta, e raios gama de alta energia. Agora, um novo modelo teórico revela que todos eles poderiam ser lançados no espaço depois que os raios cósmicos fossem acelerados por poderosos jatos de buracos negros supermassivos.

O modelo explica as origens naturais de todos os três tipos de partículas "mensageiras cósmicas" simultaneamente, e é o primeiro modelo astrofísico desse tipo baseado em cálculos numéricos detalhados. Um artigo científico que descreve este modelo, produzido por cientistas da Penn State e da University of Maryland, será publicado como uma publicação online antecipada no site da revista Física da Natureza em 22 de janeiro, 2018.

"Nosso modelo mostra uma maneira de entender por que esses três tipos de partículas mensageiras cósmicas têm uma quantidade surpreendentemente semelhante de entrada de energia no universo, apesar do fato de que eles são observados por detectores baseados no espaço e baseados em terra com mais de dez ordens de magnitude na energia das partículas individuais, "disse Kohta Murase, professor assistente de física e astronomia e astrofísica na Penn State. "O fato de que as intensidades medidas de neutrinos de altíssima energia, raios cósmicos de ultra alta energia, e os raios gama de alta energia são mais ou menos comparáveis ​​nos tentam a nos perguntar se essas partículas extremamente energéticas têm algumas conexões físicas. O novo modelo sugere que neutrinos de muito alta energia e raios gama de alta energia são produzidos naturalmente por meio de colisões de partículas como partículas filhas de raios cósmicos, e, portanto, podem herdar o orçamento de energia comparável de suas partículas originais. Isso demonstra que as energias semelhantes dos três mensageiros cósmicos podem não ser uma mera coincidência. "

Os raios cósmicos de ultra-alta energia são as partículas mais energéticas do universo - cada um deles carrega uma energia que é muito alta para ser produzida até mesmo pelo Grande Colisor de Hádrons, o acelerador de partículas mais poderoso do mundo. Neutrinos são partículas misteriosas e fantasmagóricas que dificilmente interagem com a matéria. Neutrinos de alta energia, com energia de mais de um milhão de megeletronvolts, foram detectados no observatório de neutrinos IceCube na Antártica. Os raios gama têm a energia eletromagnética mais conhecida - aqueles com energias mais de um bilhão de vezes mais altas do que um fóton de luz visível foram observados pelo Telescópio Espacial Fermi de raios gama e outros observatórios terrestres. "Combinar todas as informações sobre esses três tipos de mensageiros cósmicos é complementar e relevante, e essa abordagem multi-mensageiro tornou-se extremamente poderosa nos últimos anos, "Murase disse.

Murase e o primeiro autor deste novo artigo, Ke Fang, um associado de pós-doutorado na Universidade de Maryland, tentativa de explicar os dados mais recentes de multi-mensageiros de neutrinos de muito alta energia, raios cósmicos de ultra alta energia, e raios gama de alta energia, baseado em uma configuração astrofísica única, mas realista. Eles descobriram que os dados de multi-mensageiros podem ser bem explicados usando simulações numéricas para analisar o destino dessas partículas carregadas.

"Em nosso modelo, raios cósmicos acelerados por jatos poderosos de núcleos galácticos ativos escapam através dos lóbulos de rádio que são frequentemente encontrados no final dos jatos, "Fang disse." Então calculamos a propagação dos raios cósmicos e a interação dentro dos aglomerados e grupos de galáxias na presença de seu campo magnético ambiental. Além disso, simulamos a propagação dos raios cósmicos e a interação nos campos magnéticos intergalácticos entre a fonte e a Terra. Finalmente, integramos as contribuições de todas as fontes do universo. "

Os principais suspeitos do mistério de meio século da origem das partículas cósmicas de mais alta energia do universo estavam em galáxias chamadas de "núcleos galácticos ativos, "que têm uma região central superirradiante em torno do buraco negro supermassivo central. Alguns núcleos galácticos ativos são acompanhados por poderosos jatos relativísticos. Partículas cósmicas de alta energia que são geradas pelos jatos ou seus ambientes são lançadas no espaço quase tão rápido quanto A velocidade da luz.

"Nosso trabalho demonstra que os raios cósmicos de ultra-alta energia que escapam de núcleos galácticos ativos e seus ambientes, como aglomerados e grupos de galáxias, podem explicar o espectro e a composição dos raios cósmicos de ultra-alta energia. Também podem ser responsáveis ​​por alguns dos fenômenos inexplicados descobertos por experimentos baseados em solo, "Fang disse." Simultaneamente, o espectro de neutrinos de altíssima energia acima de cem milhões de megeletronvolts pode ser explicado por colisões de partículas entre os raios cósmicos e o gás em aglomerados e grupos de galáxias. Também, a emissão de raios gama associada proveniente dos aglomerados de galáxias e do espaço intergaláctico corresponde à parte inexplicada do fundo difuso de raios gama de alta energia que não está associado a um tipo particular de núcleo galáctico ativo. "

"Este modelo abre caminho para novas tentativas de estabelecer um modelo unificado de como todos os três mensageiros cósmicos estão fisicamente conectados uns aos outros pela mesma classe de fontes astrofísicas e os mecanismos comuns de neutrino de alta energia e raios gama Produção, "Murase disse." No entanto, também existem outras possibilidades, e vários novos mistérios precisam ser explicados, incluindo os dados de neutrinos na faixa de dez milhões de megeletronvolt registrados pelo observatório de neutrinos IceCube na Antártica. Portanto, outras investigações baseadas em abordagens de multi-mensageiro - combinando a teoria com todos os três dados de mensageiros - são cruciais para testar nosso modelo. "

O novo modelo deve motivar estudos de aglomerados e grupos de galáxias, bem como o desenvolvimento de outros modelos unificados de partículas cósmicas de alta energia. Espera-se que seja testado rigorosamente quando as observações começarem a ser feitas com detectores de neutrino de próxima geração, como IceCube-Gen2 e KM3Net, e o telescópio de raios gama de última geração, Cherenkov Telescope Array.

"A era de ouro da astrofísica de partículas multi-mensageiro começou muito recentemente, "Murase disse." Agora, todas as informações que podemos aprender de todos os diferentes tipos de mensageiros cósmicos são importantes para revelar novos conhecimentos sobre a física das partículas cósmicas de extrema energia e uma compreensão mais profunda sobre o nosso universo. "