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Um neutrino no gelo da Antártida achou uma galáxia

Uma partícula registrada no Polo Sul em 2017 levou os astrônomos ao blazar TXS 0506+056, a 4 bilhões de anos-luz.

Laboratório do IceCube sobre o gelo do Polo Sul

Em 22 de setembro de 2017, o observatório IceCube, operado pela Universidade de Wisconsin-Madison, registrou um único neutrino com energia estimada de 290 teraeletronvolts. Quarenta e três segundos depois, um alerta automático saiu para telescópios do mundo inteiro com as coordenadas do céu de onde a partícula tinha vindo.

O neutrino é a partícula mais difícil de pegar que a física conhece. Não tem carga elétrica, quase não tem massa e atravessa planetas inteiros sem bater em nada. Enquanto você lê esta frase, dezenas de bilhões deles, vindos do Sol, passam por cada centímetro quadrado da sua pele.

Essa teimosia em não interagir é o que torna o neutrino valioso. A luz se desvia, é absorvida por poeira, some atrás de nuvens de gás. Raios cósmicos, que são partículas com carga, entortam no caminho por campos magnéticos e chegam à Terra sem apontar para a origem. O neutrino viaja em linha reta e entrega o endereço.

O problema é que, para ver um, é preciso esperar que ele bata de frente num átomo. A chance é tão pequena que o detector precisa ser do tamanho de um bairro. O IceCube usa um quilômetro cúbico de gelo antártico como alvo, vigiado por milhares de sensores de luz.

Naquela noite de setembro, o alerta chegou à equipe do telescópio espacial Fermi, da NASA, que observa raios gama. No ponto indicado havia uma galáxia já catalogada, com um nome de código pouco poético: TXS 0506+056.

Ela estava brilhando muito acima do normal. Era um blazar (galáxia com um buraco negro gigante no centro que dispara um jato de matéria quase na direção da Terra), e o jato estava em plena atividade.

Foi a primeira vez que um neutrino de alta energia apontou para um objeto identificável fora da Via Láctea. Até ali, o céu de neutrinos cósmicos era um mapa sem nenhum nome escrito.

Para entender como um bloco de gelo consegue apontar para uma galáxia a 4 bilhões de anos-luz, é preciso olhar para o que acontece em um milionésimo de segundo dentro do detector.

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I  O Mecanismo

Um rastro azul dentro do gelo

O IceCube não enxerga o neutrino. Ele enxerga o estrago que o neutrino deixa quando, por acaso, atinge o núcleo de um átomo dentro do gelo.

A trombada produz um múon (uma partícula parecida com o elétron, cerca de 200 vezes mais pesada). O múon sai disparado quase na mesma direção do neutrino original e atravessa o gelo por quilômetros.

Ele viaja mais rápido do que a luz consegue viajar dentro do gelo. Nenhuma lei é quebrada: a luz anda mais devagar dentro de materiais transparentes, e o múon ultrapassa esse limite local.

O resultado é um cone de luz azulada chamado radiação Cherenkov (o equivalente luminoso do estrondo de um avião supersônico). É essa luz fraca que o detector caça.

Para registrar o rastro, a colaboração perfurou 86 poços com água quente e baixou em cada um uma corda com 60 sensores de luz. São 5.160 sensores ao todo, presos entre 1.450 e 2.450 metros de profundidade, onde o gelo é escuro e mais limpo que qualquer água de laboratório.

A pressão de mais de um quilômetro de gelo por cima espremeu as bolhas de ar para fora ao longo de milhares de anos. A luz percorre dezenas de metros ali dentro sem se perder, o que permite espaçar as cordas a 125 metros uma da outra.

Cada sensor anota o instante exato em que recebeu um fóton, com precisão de nanossegundos. Quando o múon cruza o volume, os sensores acendem em sequência, como luzes de pista de aeroporto. A ordem e o horário dos acendimentos dão a trajetória.

Na noite do evento 170922A, o rastro cruzou o detector e acendeu sensores ao longo de centenas de metros. A reconstrução apontou uma janela no céu com cerca de um grau de largura, o equivalente a duas luas cheias lado a lado.

Restava separar o sinal do fundo. O detector registra cerca de 2.700 múons por segundo, quase todos produzidos por raios cósmicos que batem na atmosfera logo acima do Polo Sul. São imitações perfeitas de um evento real.

A solução foi usar a Terra como filtro. Múons não atravessam o planeta, neutrinos sim. Um rastro que sobe, vindo de baixo, só pode ter sido criado por um neutrino que cruzou o globo. O 170922A chegou quase na horizontal, um pouco abaixo do horizonte, e com energia alta demais para ser atmosférico.

O sistema estimou em 56% a chance de a partícula ser de origem cósmica. Foi o suficiente para disparar o alerta público, dentro do programa de avisos automáticos que a colaboração mantinha desde 2016.

II  Por que Importa

O endereço dos raios cósmicos

Em 1912, o físico austríaco Victor Hess subiu num balão a 5.300 metros e mediu que a radiação aumentava com a altitude. Ela vinha de cima, do espaço. Hess ganhou o Nobel de 1936 pela descoberta dos raios cósmicos.

Mais de um século depois, a origem das partículas mais energéticas desse fluxo continuava sem resposta. Elas chegam com energias milhões de vezes acima do que o Grande Colisor de Hádrons, na Suíça, consegue produzir.

O obstáculo é a carga elétrica. Um próton que sai de uma galáxia distante passa milhões de anos sendo empurrado por campos magnéticos. Quando chega, a direção de chegada não guarda relação com o ponto de partida.

A física por trás é direta. Quando um próton muito rápido bate em outro próton ou em luz intensa, a colisão produz píons (partículas instáveis de vida curtíssima). Os píons carregados decaem em neutrinos; os neutros, em raios gama.

Um elétron acelerado também gera raios gama, mas não gera neutrinos. Achar raios gama numa fonte não prova nada sobre prótons. Achar neutrinos prova.

O TXS 0506+056 entregou as duas assinaturas ao mesmo tempo. O Fermi viu a galáxia brilhando em raios gama, e o telescópio MAGIC, nas Ilhas Canárias, detectou fótons acima de 100 gigaeletronvolts vindos do mesmo ponto dias depois do alerta.

A chance de o neutrino cair por acaso sobre um blazar em erupção foi calculada em cerca de 3 sigma, algo como uma chance em algumas centenas. Em física de partículas, o padrão para anunciar descoberta é 5 sigma, aproximadamente uma chance em 3,5 milhões.

Faltava força estatística, e a colaboração foi buscar mais nos próprios arquivos. Ao revirar nove anos e meio de dados apontados para a mesma região, a equipe achou um excesso de 13 neutrinos, com margem de 5 para mais ou para menos, concentrado entre setembro de 2014 e março de 2015.

Nesse período anterior, o blazar não mostrava erupção em raios gama. O excesso sozinho atingiu 3,5 sigma. Somadas, as duas evidências fizeram do TXS 0506+056 a primeira fonte candidata convincente de neutrinos de alta energia fora da galáxia.

A consequência vai além de uma galáxia. O resultado indicou que blazares conseguem acelerar prótons, e portanto podem produzir parte dos raios cósmicos que Hess mediu no balão.

Ele também abriu um jeito novo de observar o universo. A mesma galáxia pode agora ser vista pela luz, pelos neutrinos e, em outros casos, pelas ondas gravitacionais. Os astrônomos chamam a combinação de astronomia multimensageira.

Em 2022, o IceCube apontou a segunda fonte, a galáxia NGC 1068, com 79 neutrinos e 4,2 sigma. Ela não é um blazar e quase não brilha em raios gama, sinal de que existe mais de um tipo de fábrica de neutrinos no céu.

III  A Fonte

Science, julho de 2018

Os resultados saíram em dois artigos publicados juntos na revista Science em 12 de julho de 2018. O primeiro, assinado pela colaboração IceCube e por mais de uma dezena de equipes de outros observatórios, descreve o alerta e as observações em luz que vieram depois.

O segundo, só da colaboração IceCube, traz a busca nos dados antigos que achou o excesso de 2014 e 2015. A colaboração reúne cerca de 300 cientistas de 12 países, com sede científica na Universidade de Wisconsin-Madison.

A distância do blazar veio de um terceiro trabalho. Em 2018, a astrônoma Simona Paiano e colegas usaram o Gran Telescopio Canarias para medir o desvio para o vermelho da galáxia (o quanto a luz dela se estica com a expansão do universo): 0,3365, o que a coloca a cerca de 4 bilhões de anos-luz.

A construção do detector terminou em dezembro de 2010, depois de sete temporadas de perfuração no verão antártico. O projeto custou cerca de 279 milhões de dólares, a maior parte paga pela Fundação Nacional de Ciência dos Estados Unidos.

Os próprios autores trataram o evento como evidência, não como prova. Três sigma de coincidência e 3,5 de excesso não chegam aos 5 exigidos para um anúncio formal de descoberta.

Há também um problema de conta. Se blazares fossem os grandes produtores, o IceCube deveria ver neutrinos vindo de muitos deles. Análises cruzadas com o catálogo do Fermi indicam que blazares respondem por no máximo 27% do fluxo total de neutrinos cósmicos.

E o episódio de 2014 e 2015 continua sem modelo que explique tudo: muitos neutrinos e quase nenhum raio gama no mesmo período. Teorias propõem que os raios gama foram absorvidos dentro da própria fonte, mas nenhuma fechou os números.

A próxima geração, o IceCube-Gen2, prevê um volume oito vezes maior de gelo instrumentado, o que deve multiplicar a quantidade de fontes identificadas.

"Quantas das galáxias que vemos brilhar estão, neste momento, mandando neutrinos que ainda não pegamos?"

4 bilhões de anos-luz percorridos por um neutrino de 290 teraeletronvolts até o gelo do Polo Sul (IceCube Collaboration et al., Science, 2018).

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CIÊNCIA BIZARRA

Parece mentira. Mas é real e está provado