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Dados coletados por um observatório na Antártida produziram nossa primeira visão da Via Láctea através das lentes de partículas de neutrinos. É a primeira vez que vemos nossa galáxia “pintada” com uma partícula, ao invés de em diferentes comprimentos de onda de luz.
O resultado, publicado na Science, oferece aos pesquisadores uma nova janela para o cosmos. Acredita-se que os neutrinos sejam produzidos, em parte, por partículas carregadas de alta energia chamadas raios cósmicos colidindo com outra matéria. Devido aos limites de nosso equipamento de detecção, ainda não sabemos muito sobre os raios cósmicos. Portanto, os neutrinos são outra forma de estudá-los.
Especula-se desde a antiguidade que a Via Láctea que vemos se curvando no céu noturno consiste em estrelas como o nosso Sol. No século 18, foi reconhecido como uma placa achatada de estrelas que vemos de dentro. Faz apenas 100 anos que descobrimos que a Via Láctea é de fato uma galáxia, ou “universo-ilha”, uma entre centenas de bilhões de outras.
Em 1923, o astrônomo americano Edwin Hubble identificou um tipo de estrela pulsante chamada “variável Cefeida” no que era então conhecido como a “nebulosa” de Andrômeda (uma nuvem gigante de poeira e gás). Graças ao trabalho anterior de Henrietta Swan Leavitt, isso forneceu uma medida da distância da Terra a Andrômeda.
Isso demonstrou que Andrômeda é uma galáxia distante como a nossa, encerrando um longo debate e transformando completamente nossa noção de nosso lugar no universo.
Abrindo janelas
Posteriormente, à medida que novas janelas astronômicas se abriram para o céu, vimos nosso lar galáctico em muitos comprimentos de onda diferentes de luz – em ondas de rádio, em várias bandas de infravermelho, em raios-X e em raios gama. Agora, podemos ver nossa morada cósmica em partículas de neutrinos, que têm massa muito baixa e interagem muito fracamente com outras matérias – daí o apelido de “partículas fantasmas”.
Os neutrinos são emitidos da nossa galáxia quando os raios cósmicos colidem com a matéria interestelar. No entanto, os neutrinos também são produzidos por estrelas como o Sol, algumas estrelas explosivas ou supernovas e provavelmente pela maioria dos fenômenos de alta energia que observamos no universo, como explosões de raios gama e quasares. Portanto, eles podem nos fornecer uma visão sem precedentes de processos altamente energéticos em nossa galáxia – uma visão que não podemos obter usando apenas a luz.
A detecção do novo avanço exigiu um “telescópio” bastante estranho que está enterrado a vários quilômetros de profundidade na calota de gelo da Antártica, sob o Pólo Sul. O IceCube Neutrino Observatory usa uma gigatonelada de gelo ultratransparente sob enormes pressões para detectar uma forma de energia chamada radiação Cherenkov.
Essa fraca radiação é emitida por partículas carregadas que, no gelo, podem viajar mais rápido que a luz (mas não no vácuo). As partículas são criadas por neutrinos que chegam, que vêm de colisões de raios cósmicos na galáxia, atingindo os átomos no gelo.
Os raios cósmicos são principalmente partículas de prótons (constituem o núcleo atômico junto com os nêutrons), juntamente com alguns núcleos pesados e elétrons. Cerca de um século atrás, descobriu-se que eles estavam chovendo na Terra uniformemente de todas as direções. Ainda não conhecemos definitivamente todas as suas fontes, pois suas direções de viagem são embaralhadas por campos magnéticos que existem no espaço entre as estrelas.
Profundamente no gelo
Os neutrinos podem atuar como marcadores únicos de interações de raios cósmicos nas profundezas da Via Láctea. No entanto, as partículas fantasmagóricas também são geradas quando os raios cósmicos atingem a atmosfera da Terra. Assim, os pesquisadores que usam os dados do IceCube precisavam de uma maneira de distinguir entre os neutrinos de origem “astrofísica” – aqueles originários de fontes extraterrestres – e aqueles criados a partir de colisões de raios cósmicos dentro de nossa atmosfera.
Os pesquisadores se concentraram em um tipo de interação de neutrinos no gelo chamada cascata. Isso resulta em chuvas de luz aproximadamente esféricas e dá aos pesquisadores um melhor nível de sensibilidade aos neutrinos astrofísicos da Via Láctea. Isso ocorre porque uma cascata fornece uma medição melhor da energia de um neutrino do que outros tipos de interação, embora sejam mais difíceis de reconstruir.
A análise de dez anos de dados do IceCube usando técnicas sofisticadas de aprendizado de máquina produziu quase 60.000 eventos de neutrinos com uma energia acima de 500 gigaeletronvolts (GeV). Destes, apenas cerca de 7% eram de origem astrofísica, sendo o restante devido à fonte “de fundo” de neutrinos que são gerados na atmosfera terrestre.
A hipótese de que todos os eventos de neutrinos poderiam ser causados por raios cósmicos atingindo a atmosfera da Terra foi definitivamente rejeitada em um nível de significância estatística conhecido como 4,5 sigma. Dito de outra forma, nosso resultado tem apenas cerca de 1 chance em 150.000 de ser um acaso.
Isso fica um pouco aquém do padrão 5 sigma convencional para reivindicar uma descoberta na física de partículas. No entanto, tal emissão da Via Láctea é esperada em bases astrofísicas sólidas.
Com a próxima ampliação do experimento – o IceCube-Gen2 será dez vezes maior – iremos adquirir muito mais eventos de neutrinos e a imagem borrada atual se transformará em uma visão detalhada de nossa galáxia, uma que nunca tivemos antes.
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