Teoria mostra origem unificada para 3 tipos de partículas espaciais de extrema-energia

Esta imagem ilustra a emissão 'multi-messenger' de um gigantesco reservatório de raios cósmicos que são acelerados por jatos poderosos de um buraco negro supermassivo. Os raios cósmicos de alta energia que escapam do núcleo galáctico ativo do buraco negro ficam presos no ambiente magnetizado que serve como reservatório de raios cósmicos. Os neutrinos de alta energia e os raios gama são produzidos no ambiente magnetizado durante o confinamento e no espaço intergaláctico durante a sua propagação. Os raios cósmicos, os neutrinos e os raios gama eventualmente chegam à Terra, onde eles podem nos dar uma imagem unificada de todos os três fluxos cumulativos das partículas cósmicas. Crédito: Kanoko Horio

Cientistas rastrearam as três partículas de maior energia do universo de uma única origem cósmica. A última pesquisa - publicada nesta semana no jornal Nature Physics - sugere neutrinos, raios cósmicos e raios gama, todos os resultados dos poderosos jatos de buracos negros supermassivos.
O novo modelo conecta as origens de neutrinos de altíssima energia, raios cósmicos de energia ultra alta e raios gama de alta energia com jatos de buracos negros.
Um dos maiores mistérios na física de astropartículas tem sido a origem de raios cósmicos de ultra-energia, neutrinos de alta energia e raios gama de alta energia. Agora, um novo modelo teórico revela que todos poderiam ser lançados no espaço depois que os raios cósmicos são acelerados por jatos poderosos de buracos negros supermassivos.
O modelo explica as origens naturais de todos os três tipos de partículas simultaneamente e é o primeiro modelo astrofísico do tipo baseado em cálculos numéricos detalhados. Um artigo científico que descreve este modelo, produzido pelos cientistas da Penn State e da Universidade de Maryland, foi publicado como uma Publicação Online Avançada no site da revista Nature Physics em 22 de janeiro de 2018.
"Nosso modelo mostra uma maneira de entender por que esses três tipos de partículas têm uma quantidade surpreendentemente similar de potência no Universo, mesmo sendo  observados por detectores baseados em espaço e no solo em dez ordens de grandeza da energia de partículas individuais", disse Kohta Murase , professor assistente de física e astronomia e astrofísica em Penn State.
"O fato de que as intensidades medidas de alta energia de neutrinos, raios cósmicos e raios gama são comparativamente similares ​​nos fizeram pensar se essas partículas extremamente energeticas possuem algumas conexões físicas. O novo modelo sugere que é muito alta essa possibilidade. Os neutrinos energéticos e os raios gama de alta energia são produzidos naturalmente através de colisões de partículas dos raios cósmicos e, portanto, podem herdar o orçamento energético comparável de suas partículas originais. Demonstra que a energia similar dos três mensageiros cósmicos pode não ser uma mera coincidência."
Os raios cósmicos de energia ultra alta são as partículas mais enérgicas do Universo - cada um deles carrega uma energia que é muito alta para ser produzida mesmo pelo Large Hadron Collider (LHC), o acelerador de partículas mais poderoso do mundo. Neutrinos são partículas misteriosas e fantasmagóricas que quase nunca interagem com a matéria. Os neutrinos de alta energia, com energia de mais de um milhão de mega-elétronvolts, foram detectados no observatório de neutrinos do IceCube na Antártida. Os raios gama têm a energia eletromagnética mais conhecida - aqueles com energias mais de um bilhão de vezes superiores a um fóton de luz visível foram observados pelo Telescópio espacial de raios gama Fermi e outros observatórios terrestres.
"Combinar todas as informações sobre esses três tipos de "mensageiros cósmicos" é complementar e relevante, e essa abordagem "multi-messenger" tornou-se extremamente poderosa nos últimos anos", disse Murase.
Murase e o primeiro autor deste novo artigo, Ke Fang, um associado pós-doutorado na Universidade de Maryland, tenta explicar os últimos dados de multi-messenger de neutrinos, raios cósmicos e raios gama de alta energia, com base em uma configuração astrofísica simples mas realista. Eles descobriram que os dados multi-messenger podem ser bem explicados usando simulações numéricas para analisar o destino dessas partículas carregadas.
"No nosso modelo, os raios cósmicos acelerados por potentes jatos de núcleos galácticos ativos escapam através dos lóbulos de rádio que são freqüentemente encontrados no final dos jatos", disse Fang.
"Então, calculamos a propagação do raio cósmico e a interação dentro de aglomerados e superaglomerados de galáxias na presença de seus campos magnéticos. Simulamos ainda mais a propagação e a interação do raio cósmico nos campos magnéticos intergalácticos entre a fonte e a Terra. Finalmente nós integramos as contribuições de todas as fontes do Universo".
Os principais suspeitos do mistério de meio século da origem das partículas cósmicas de maior energia no Universo estavam em galáxias chamadas 'núcleos galácticos ativos', que possuem uma região central super radiante ao redor do buraco negro supermassivo central. Alguns núcleos galácticos ativos são acompanhados por poderosos jatos relativistas. As partículas cósmicas de alta energia que são geradas pelos jatos ou seus arredores são disparadas para o espaço quase tão rápido quanto a velocidade da luz.
"Nosso trabalho demonstra que os raios cósmicos de energia ultra-alta que escapam de núcleos galácticos ativos e seus arredores, como aglomerados de galáxias, podem explicar o espectro e a composição de raios cósmicos de ultra-alta energia. Também pode explicar alguns fenômenos inexplicados descoberto por experiências terrestres", disse Fang.
"Simultaneamente, o espectro de neutrinos de alta energia acima de cem milhões de mega-elétron-volts pode ser explicado por colisões de partículas entre os raios cósmicos e o gás em aglomerados e super aglomerados de galáxias. Além disso, a emissão de raios gama associada proveniente dos aglomerados galácticos e o espaço intergalácticos coincide com a parte inexplicável do fundo difuso de raios gama de alta energia que não está associado a um tipo particular de núcleo galáctico ativo".
"Este modelo prepara uma maneira de novas tentativas de estabelecer um modelo de grande unificação de como os três mensageiros cósmicos estão fisicamente conectados entre si pela mesma classe de fontes astrofísicas e pelos mecanismos comuns de produção de neutrino e raios gama de alta energia", disse Murase.
"No entanto, também existem outras possibilidades, e vários novos mistérios precisam ser explicados, incluindo os dados de neutrinos na faixa de dez milhões de mega-elétron-volts registrados pelo observatório de neutrinos IceCube na Antártida. Portanto, novas investigações baseadas em multi-abordagens de multi-messenger - combinando teoria com os dados dos três mensageiros - são cruciais para testar nosso modelo".
Espera-se que o novo modelo motive estudos de aglomerados e super aglomerados 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 neutrinos de próxima geração, como IceCube-Gen2 e KM3Net, e o telescópio de raios-gama da próxima geração, Cherenkov Telescope Array.
"A era de ouro da astrofísica de partículas multi-messenger começou muito recentemente", disse Murase.
"Agora, todas as informações que podemos aprender com todos os diferentes tipos de mensageiros cósmicos são importantes para revelar novos conhecimentos sobre a física de partículas cósmicas de extrema energia e uma compreensão mais profunda sobre o nosso universo".

Fonte: Phys.Org