Um olhar para o núcleo de uma galáxia ativa revela um campo magnético em forma de anel que pode explicar a emissão extrema de radiação gama e neutrinos.
Pontos principais
- Um olhar para o coração de uma galáxia ativa: Astrônomos capturaram uma imagem da origem de um jato cósmico. A imagem e sua coloração artificial lembram o Olho de Sauron.
- A questão da origem dos neutrinos: PKS 1424240 é o objeto emissor de neutrinos mais brilhante de seu tipo. No entanto, o fluxo de massa concentrada é lento demais para explicar a emissão de neutrinos.
- Campos magnéticos espirais aceleram partículas: 15 anos de observações precisas com a Very Long Baseline Array possibilitaram uma análise detalhada da origem do jato. A imagem de rádio pode resolver esse problema, pois mostra campos magnéticos em forma de anel, um ambiente que atua como uma mola e pode acelerar partículas a altas energias. Isso, por sua vez, explica os neutrinos e a radiação gama de alta energia.
Localizado a bilhões de anos-luz de distância, o blazar PKS 1424+240 há muito intrigava os astrônomos. Ele se destacou como o blazar emissor de neutrinos mais brilhante conhecido no céu — como identificado pelo IceCube Neutrino Observatory — e também brilhava em radiação gama de muito alta energia observada por telescópios Cherenkov baseados em terra. No entanto, estranhamente, seu jato de rádio parecia se mover lentamente, contradizendo a expectativa de que apenas os jatos mais rápidos podem gerar emissões de alta energia tão intensas.
Agora, graças a 15 anos de observações de rádio ultra-precisas do Very Long Baseline Array (VLBA), os pesquisadores montaram uma imagem profunda deste jato com uma resolução sem precedentes.
“Quando reconstruímos a imagem, ela ficou absolutamente impressionante”, diz Yuri Kovalev, autor principal do estudo e Investigador Principal do projeto MuSES financiado pelo ERC no Instituto Max Planck de Rádio Astronomia (MPIfR). “Nunca vimos nada igual — um campo magnético toroidal quase perfeito com um jato apontando diretamente para nós.”
Como o jato está alinhado quase exatamente na direção da Terra, sua emissão de alta energia é dramaticamente amplificada pelos efeitos da relatividade especial. “Esse alinhamento causa um aumento no brilho por um fator de 30 ou mais”, explica Jack Livingston, coautor do MPIfR. “Ao mesmo tempo, o jato parece se mover lentamente devido a efeitos de projeção — uma ilusão de ótica clássica.”
A geometria frontal permitiu que os cientistas olhassem diretamente para o coração do jato do blazar — uma oportunidade extremamente rara. Sinais de rádio polarizados ajudaram a equipe a mapear a estrutura do campo magnético do jato, revelando sua provável forma helicoidal ou toroidal. Essa estrutura desempenha um papel fundamental no lançamento e colimação do fluxo de plasma e pode ser essencial para acelerar partículas a energias extremas.
“Resolver esse quebra-cabeça confirma que núcleos galácticos ativos com buracos negros supermassivos são não apenas poderosos aceleradores de elétrons, mas também de prótons — a origem dos neutrinos de alta energia observados”, conclui Kovalev.
A descoberta é um triunfo para o programa MOJAVE, um esforço de décadas para monitorar jatos relativísticos em galáxias ativas usando o Very Long Baseline Array (VLBA). Os cientistas empregam a técnica de Interferometria de Muito Longa Base (VLBI), que conecta telescópios de rádio em todo o mundo para formar um telescópio virtual do tamanho da Terra. Isso proporciona a maior resolução disponível na astronomia, permitindo o estudo dos finos detalhes de jatos cósmicos distantes.
“Quando começamos o MOJAVE, a ideia de um dia conectar diretamente jatos de buracos negros distantes a neutrinos cósmicos parecia ficção científica. Hoje, nossas observações estão tornando isso real”, diz Anton Zensus, Diretor do MPIfR e co-fundador do programa.
Este resultado fortalece a ligação entre jatos relativísticos, neutrinos de alta energia e o papel dos campos magnéticos na formação de aceleradores cósmicos — marcando um marco na astronomia multimensageira.
Informações de fundo
Um blazar é um tipo de núcleo galáctico ativo alimentado por um buraco negro supermassivo que lança um jato de plasma se movendo a quase a velocidade da luz. O que torna um blazar especial é sua orientação: um de seus jatos está apontado dentro de cerca de 10 graus da Terra. Esse alinhamento faz com que os blazares apareçam brilhantes em todo o espectro eletromagnético e permite que os cientistas estudem processos físicos extremos — incluindo a aceleração de partículas a energias muito além daquelas alcançadas em aceleradores feitos pelo homem.
A VLBA (Very Long Baseline Array) é um arranjo de dez antenas, localizadas em diferentes pontos dos Estados Unidos continentais, além do Havai e St. Croix, que opera no modo de interferometria de muito longa base (VLBI). As distâncias entre as antenas variam até aproximadamente dez mil quilômetros, proporcionando uma resolução angular no céu tão fina quanto 50 micro-arcossegundos.
MOJAVE (Monitoring Of Jets in Active galactic nuclei with VLBA Experiments) é um programa de longo prazo para monitorar variações de brilho e polarização em jatos associados a galáxias ativas visíveis no céu do hemisfério norte. As observações são feitas com a Very Long Baseline Array, que nos permite produzir imagens de polarização total com uma resolução angular melhor que 1 milissegundo de arco (a separação aparente dos faróis do seu carro, vista por um astronauta na Lua). Estamos usando esses dados para entender melhor a evolução complexa e as estruturas dos campos magnéticos de jatos em escalas de anos-luz, próximas de onde se originam no núcleo ativo, e como essa atividade está correlacionada com uma emissão eletromagnética de alta energia e neutrinos.
MuSES, que significa Estudos Multimensageiros de Fontes Energéticas, é uma iniciativa inovadora em astrofísica. É dedicada ao estudo de Núcleos Galácticos Ativos, que estão entre os aceleradores de partículas mais poderosos conhecidos no cosmos. Esses corpos celestes aproveitam a energia gravitacional da matéria acrecionada por buracos negros supermassivos e a convertem em energia eletromagnética e cinética, resultando na produção de elétrons e prótons altamente relativísticos. A aceleração de prótons e sua relação com a produção de neutrinos não são bem compreendidas, representando um desafio considerável para os pesquisadores. O MuSES visa abordar essas questões fundamentais aproveitando os recentes avanços na astronomia multimensageira.
O projeto MuSES recebeu financiamento da União Europeia (acordo de concessão ERC nº 101142396). As opiniões e visões expressas, no entanto, são apenas dos autores e não refletem necessariamente as do Parlamento Europeu ou da Agência Executiva do Conselho Europeu de Pesquisa (ERCEA). Nem a União Europeia nem a autoridade concedente podem ser responsabilizadas por elas.
