Por mais de um século, os cientistas têm observado partículas carregadas de energia muito alta, chamadas de raios cósmicos, chegando de fora da atmosfera da Terra. As origens dessas partículas são muito difíceis de identificar porque as próprias partículas não viajam em um caminho direto para a Terra. Mesmo os raios gama, um tipo de fóton de alta energia que oferece um pouco mais de percepção, são absorvidos ao percorrer longas distâncias.

O Observatório de Neutrinos IceCube, uma série de módulos ópticos enterrados em um quilômetro cúbico de gelo no Pólo Sul, caça fontes de raios cósmicos dentro e fora de nossa galáxia - estendendo-se a galáxias a mais de bilhões de anos-luz de distância - usando dicas de partículas elusivas chamadas neutrinos. Espera-se que esses neutrinos sejam produzidos por colisões de raios cósmicos com gás ou radiação perto das fontes.

Ao contrário dos raios cósmicos, neutrinos não são absorvidos ou desviados em seu caminho para a Terra, tornando-os uma ferramenta prática para localizar e compreender aceleradores cósmicos. Se os cientistas puderem encontrar uma fonte de neutrinos astrofísicos de alta energia, isso seria uma arma fumegante para uma fonte de raios cósmicos.

Após 10 anos de busca pelas origens dos neutrinos astrofísicos, uma nova pesquisa em todo o céu fornece a sonda mais sensível de emissão de neutrino integrada no tempo de fontes pontuais. A Colaboração IceCube apresenta os resultados desta varredura em um artigo submetido recentemente a Cartas de revisão física .

Tessa Carver conduziu esta análise sob a supervisão de Teresa Montaruli no Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire na Universidade de Genebra, na Suíça. “O IceCube já observou um fluxo astrofísico de neutrinos, portanto, sabemos que eles existem e são detectáveis ​​- só não sabemos exatamente de onde vêm, "diz Carver, agora um pós-doutorado na Cardiff University. "É apenas uma questão de tempo e precisão até que possamos identificar as fontes por trás desse fluxo de neutrinos."

O principal desafio na busca por fontes de neutrinos astrofísicos com o IceCube é o cenário impressionante de eventos induzidos por interações de raios cósmicos em nossa atmosfera. O sinal de fontes fracas de neutrinos precisa ser extraído por meio de técnicas sofisticadas de análise estatística.

Usando esses métodos, Carver e seus colaboradores "escanearam" todo o céu em busca de fontes pontuais de neutrinos em locais arbitrários. Este método de varredura é capaz de identificar fontes de neutrinos muito brilhantes que podem ser invisíveis em raios gama, que também são produzidos em colisões de raios cósmicos.

Para ser sensível às fontes de dimmer, eles também analisaram 110 candidatos a fontes galácticas e extragalácticas, que foram observados por meio de raios gama. Eles então combinaram os resultados obtidos para fontes individuais nesta lista em uma "análise populacional, "que procura uma taxa maior do que o esperado de resultados significativos da pesquisa da lista de fontes individuais. Isso permite que os pesquisadores encontrem emissões significativas de neutrinos, mesmo se as fontes na lista forem muito fracas para serem observadas individualmente.

Os pesquisadores também empregaram uma "busca por empilhamento" para três catálogos de fontes de raios gama em nossa galáxia. Essa pesquisa agrupa todas as emissões de grupos de objetos conhecidos do mesmo tipo, supondo que eles tenham propriedades de emissão bem conhecidas. Embora possa reduzir significativamente a emissão por fonte necessária para observar um grande excesso de sinal sobre o fundo, esta pesquisa é limitada porque requer mais conhecimento das fontes do catálogo.

Embora as diferentes análises não tenham descoberto fontes estáveis ​​de neutrinos, os resultados são, no entanto, emocionantes:alguns dos objetos no catálogo de fontes conhecidas mostraram um fluxo de neutrino maior do que o esperado, com excessos no nível 3σ. Em particular, a varredura de todo o céu revelou que o local "mais quente" no céu está a apenas 0,35 graus de distância da galáxia estelar NGC 1068, que tem um excesso de 2,9σ sobre o fundo. NGC 1068 é um dos buracos negros mais próximos de nós; ele está embutido em uma região de formação de estrelas com muita matéria para os neutrinos interagirem enquanto os raios gama de alta energia são atenuados, conforme mostrado pelas medições de Fermi e MAGIC. Este é o excesso mais significativo visto além de TXS 0506 + 056, a fonte de 2017 que o IceCube descobriu ser coincidente com uma explosão de raios gama. Ainda, essas fontes potenciais de neutrino requerem mais dados com um detector mais sensível, como IceCube-Gen2, a ser confirmado.

Os pesquisadores também descobriram que o catálogo de fontes do Hemisfério Norte como um todo diferia das expectativas de fundo com uma significância de 3,3σ. Carver diz que esses resultados demonstram uma forte motivação para continuar a analisar os objetos no catálogo. Análises dependentes do tempo, que procuram flares de emissão máxima, e a possibilidade de correlacionar a emissão de neutrino com observações de ondas eletromagnéticas ou gravitacionais para essas e outras fontes pode fornecer evidências adicionais de emissão de neutrino e insights sobre a origem dos neutrinos. Com a coleta contínua de dados, reconstrução de direção mais refinada, e a próxima atualização do IceCube, mais melhorias na sensibilidade estão no horizonte.

“Temos a sorte de ter a oportunidade única de ser as primeiras pessoas a mapear o universo com neutrinos, que fornece uma perspectiva totalmente nova, "diz Carver." Além disso, este progresso na astronomia de neutrinos é acompanhado por grandes avanços na física das ondas gravitacionais e na física dos raios cósmicos. "

Montaruli acrescenta, "Enquanto estamos no alvorecer de uma nova era na astronomia que observa o universo não apenas com luz, esta é a primeira vez que começamos a ver excessos potencialmente significativos de eventos de neutrinos candidatos em torno de objetos extragaláticos interessantes em pesquisas independentes do tempo. "