A instalação de superfície para o experimento IceCube, localizado a menos de 1,6 km de gelo na Antártica. O IceCube sugere que os neutrinos fantasmagóricos não existem, mas um novo experimento diz que eles existem.
(Imagem: © Cortesia do IceCube Neutrino Observatory)
No deserto gelado da Antártida, existe um enorme detector de partículas, o IceCube Neutrino Observatory. Mas procurar na superfície o instrumento será difícil, porque a maior parte do observatório está presa sob o gelo. O observatório internacional tem procurado por neutrinos - partículas sem massa e sem carga que quase nunca interagem com a matéria. Agora, suas observações podem resolver um dos maiores mistérios da astronomia, respondendo às perguntas por trás da origem dos neutrinos e raios cósmicos.
O maior de todos eles
O Observatório IceCube Neutrino cobre um quilômetro cúbico próximo ao Polo Sul. O instrumento cobre um quilômetro quadrado da superfície e se estende até 4.920 pés (1.500 metros) de profundidade. É o primeiro detector de neutrinos gigatonel já construído.
Enquanto as fotografias do IceCube geralmente mostram um edifício sentado na superfície nevada, o verdadeiro trabalho é feito abaixo. O experimento polivalente inclui uma matriz de superfície, IceTop, uma matriz de 81 estações que ficam acima das cordas. O IceTop serve como um detector de calibração para o IceCube, além de detectar chuveiros de ar dos raios cósmicos primários e seu fluxo e composição.
O denso subdetetor interno, DeepCore, é a potência do experimento IceCube. Cada uma das estações IceTop é composta de cadeias conectadas a módulos ópticos digitais (DOMs) implantados em uma grade hexagonal espaçada a 125 metros. Cada corda contém 60 DOMs do tamanho de uma bola de basquete. Aqui, no fundo do gelo, o IceCube é capaz de caçar neutrinos que vêm do sol, da Via Láctea e de fora da galáxia. Essas partículas fantasmagóricas estão conectadas aos raios cósmicos, as partículas de energia mais alta já observadas.
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Partículas misteriosas
Os raios cósmicos foram descobertos pela primeira vez em 1912. As poderosas explosões de radiação colidem com a Terra constantemente, fluindo de todas as partes da galáxia. Os cientistas calcularam que as partículas carregadas devem se formar em alguns dos objetos e eventos mais violentos e menos compreendidos do universo. A morte estelar explosiva de uma estrela, uma supernova, fornece um método para criar raios cósmicos; os buracos negros ativos no centro das galáxias outro.
Como os raios cósmicos são compostos de partículas carregadas, eles interagem com os campos magnéticos das estrelas e outros objetos pelos quais passam. Os campos distorcem e mudam o caminho dos raios cósmicos, tornando impossível para os cientistas rastreá-los de volta à sua fonte.
É aí que os neutrinos entram em cena. Como os raios cósmicos, acredita-se que as partículas de baixa massa se formem através da violência. Mas, como os neutrinos não têm carga, eles passam por campos magnéticos sem alterar seu caminho, viajando em linha reta a partir de sua fonte.
"Por esse motivo, a busca pelas fontes de raios cósmicos também se tornou a busca por neutrinos de energia muito alta", segundo o site da IceCube.
No entanto, as mesmas características que tornam os neutrinos tão bons mensageiros também significam que são difíceis de detectar. A cada segundo, aproximadamente 100 bilhões de neutrinos passam por uma polegada quadrada do seu corpo. A maioria deles vem do sol e não tem energia suficiente para ser identificada pelo IceCube, mas é provável que alguns tenham sido produzidos fora da Via Láctea.
A detecção de neutrinos requer o uso de material muito claro, como água ou gelo. Quando um único neutrino colide com um próton ou nêutron dentro de um átomo, a reação nuclear resultante produz partículas secundárias que emitem uma luz azul conhecida como radiação Cherenkov.
"Os neutrinos que detectamos são como impressões digitais que nos ajudam a entender os objetos e fenômenos onde os neutrinos são produzidos", de acordo com a equipe do IceCube.
Condiçoes difíceis
O Polo Sul pode não ser o espaço sideral, mas traz seus próprios desafios. Os engenheiros começaram a construção no IceCube em 2004, um projeto de sete anos que foi concluído dentro do cronograma em 2010. A construção só poderia ocorrer por alguns meses por ano, durante o verão do Hemisfério Sul, que ocorre de novembro a fevereiro.
Perfurar 86 buracos requer um tipo especial de broca - dois deles, na verdade. O primeiro avançou através da neve, uma camada de neve compactada, chegando a cerca de 50 metros. Em seguida, uma broca de água quente de alta pressão derreteu no gelo a uma velocidade de cerca de 2 metros por minuto, até a profundidade de 2.450 metros (8.038 pés ou 1,5 milhas).
"Juntos, os dois exercícios foram capazes de produzir consistentemente orifícios verticais quase perfeitos, prontos para a implantação de instrumentação a uma taxa de um orifício a cada dois dias", segundo o IceCube.
As cordas tiveram que ser rapidamente colocadas na água derretida antes do gelo congelar. O congelamento levou algumas semanas para estabilizar, após o que os instrumentos permaneceram intocáveis, permanentemente congelados no gelo e incapazes de serem reparados. A taxa de falhas dos instrumentos tem sido extremamente lenta, com menos de 100 dos 5.500 sensores atualmente não operacionais.
O IceCube começou a fazer observações desde o início, mesmo enquanto outras strings estavam sendo implementadas.
Quando o projeto começou, os pesquisadores não estavam claros sobre o quão longe a luz viajaria através do gelo, segundo Halzen. Com essas informações bem estabelecidas, a colaboração está trabalhando para o IceCube-Gen2. O observatório atualizado adicionaria aproximadamente 80 seqüências de detectores a mais, enquanto o entendimento das propriedades do gelo permitirá que os pesquisadores separem os sensores mais amplamente do que suas estimativas conservadoras originais. O IceCube-Gen2 deve dobrar o tamanho do observatório por aproximadamente o mesmo custo.
Ciência incrível
O IceCube começou a procurar por neutrinos antes de ser concluído, produzindo vários resultados científicos intrigantes ao longo do caminho.
Entre maio de 2010 e maio de 2012, o IceCube observou 28 partículas de alta energia. Halzen atribuiu a capacidade do detector de observar esses eventos extremos à conclusão do detector.
"Esta é a primeira indicação de neutrinos de alta energia vindos de fora do nosso sistema solar, com energias mais de um milhão de vezes as observadas em 1987 em conexão com uma supernova vista na Grande Nuvem de Magalhães", disse Halzen em comunicado. "É gratificante finalmente ver o que estamos procurando. Este é o início de uma nova era da astronomia."
Em abril de 2012, um par de neutrinos de alta energia foi detectado e apelidado de Bert e Ernie, em homenagem aos personagens do programa infantil de televisão "Rua Sésamo". Com energias acima de 1 petaeletronvolt (PeV), o par foi o primeiro neutrino detectado definitivamente de fora do sistema solar desde a supernova de 1987.
"É um grande avanço", disse Uli Katz, físico de partículas da Universidade de Erlangen-Nuremberg, na Alemanha, que não participou da pesquisa. "Acho que é uma das principais descobertas absolutas da física de partículas astronômicas", disse Katz ao Space.com.
Essas observações resultaram no IceCube sendo premiado com o avanço do ano em 2013 no mundo da física.
Outra grande recompensa ocorreu em 4 de dezembro de 2012, quando o observatório detectou um evento que os cientistas chamaram de Big Bird, também da "Rua Sésamo". Big Bird era um neutrino com uma energia superior a 2 quatrilhões de elétron-volts, mais de um milhão de milhões de vezes maior que a energia de um raio-X dental, empacotada em uma única partícula com menos de um milionésimo da massa de um elétron. Na época, era o neutrino de maior energia já detectado; a partir de 2018, ainda está em segundo lugar.
Com a ajuda do telescópio espacial Fermi de raios gama da NASA, os cientistas amarraram Big Bird à explosão altamente energética de um blazar conhecido como PKS B1424-418. Blazars são alimentados por buracos negros supermassivos no centro de uma galáxia. À medida que o buraco negro devora o material, parte do material é desviado para jatos com tanta energia que ofusca as estrelas da galáxia. Os jatos aceleram a matéria, criando neutrinos e os fragmentos de átomos que criam alguns raios cósmicos.
A partir do verão de 2012, o blazar brilhou entre 15 e 30 vezes mais brilhante em raios gama do que sua média antes da erupção. Um programa de observação de longo prazo chamado TANAMI, que monitorava rotineiramente quase 100 galáxias ativas no céu do sul, revelou que o núcleo do jato da galáxia havia se iluminado quatro vezes entre 2011 e 2013.
"Nenhuma outra galáxia observada pela TANAMI ao longo da vida do programa apresentou uma mudança tão dramática", disse Eduardo Ros, do Instituto Max Planck de Radioastronomia (MPIfR) na Alemanha, em um comunicado de 2016. A equipe calculou que os dois eventos estavam vinculados.
"Levando em conta todas as observações, o blazar parece ter meios, motivo e oportunidade para disparar o neutrino Big Bird, o que o torna nosso principal suspeito", disse Matthias Kadler, professor de astrofísica da Universidade de Würzburg em Alemanha."
Em julho de 2018, o IceCube anunciou que, pela primeira vez, havia rastreado os neutrinos de volta ao seu blazar de origem. Em setembro de 2017, graças a um sistema de alerta recém-instalado que é transmitido para cientistas em todo o mundo minutos após a detecção de um forte candidato a neutrinos, os pesquisadores conseguiram girar rapidamente seus telescópios na direção em que o novo sinal se originou. Fermi alertou os pesquisadores sobre a presença de um blazar ativo, conhecido como TXS-0506 + 056, na mesma parte do céu. Novas observações confirmaram que o blazar estava queimando, emitindo rajadas de energia mais brilhantes que o normal.
Na maior parte, o TXS é um blazar típico; é um dos 100 blazares mais brilhantes detectados por Fermi. No entanto, enquanto os outros 99 também são brilhantes, eles não lançaram neutrinos em direção ao IceCube. Nos últimos meses, o TXS foi queimando, iluminando e escurecendo até cem vezes mais do que nos anos anteriores.
"O rastreamento desse neutrino de alta energia detectado pelo IceCube no TXS 0506 + 056 torna a primeira vez que conseguimos identificar um objeto específico como a provável fonte desse neutrino de alta energia", Gregory Sivakoff, da Universidade de Alberta, no Canadá, disse em comunicado.
O IceCube ainda não terminou. O novo sistema de alerta manterá os astrônomos em alerta nos próximos anos. O observatório tem uma vida útil planejada de 20 anos, então há pelo menos mais uma década de descobertas incríveis vindas do observatório do Polo Sul.
