Um exame do 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 Chave
- Um olhar no 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 1424+240 é o objeto mais brilhante emissor de neutrinos de seu tipo. No entanto, o fluxo de massa concentrado é muito lento para explicar a emissão de neutrinos.
- Campos magnéticos espirais aceleram partículas: 15 anos de observações precisas com o Very Long Baseline Array permitiram uma análise detalhada da origem do jato. A imagem de rádio poderia 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 destacava como o blazar emissor de neutrinos mais brilhante do céu – conforme identificado pelo IceCube Neutrino Observatory – e também brilhava em raios gama de muito alta energia, observados por telescópios Cherenkov de solo. No entanto, curiosamente, seu jato de rádio parecia se mover lentamente, contradizendo as expectativas de que apenas os jatos mais rápidos podem proporcionar tais intensas emissões de alta energia.
Agora, graças a 15 anos de observações de rádio ultra-precisas do Very Long Baseline Array (VLBA), os pesquisadores conseguiram montar uma imagem detalhada desse jato com uma resolução sem precedentes.
“Quando reconstruímos a imagem, ela parecia absolutamente impressionante,” diz Yuri Kovalev, autor principal do estudo e Investigador Principal do projeto MuSES financiado pela ERC no Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR). “Nunca vimos nada parecido – 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, co-autor do MPIfR. “Ao mesmo tempo, o jato parece se mover lentamente devido a efeitos de projeção – uma ilusão óptica clássica.”
Essa 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 chave 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 aceleradores poderosos de elétrons, mas também de prótons – a origem dos neutrinos de alta energia observados,” conclui Kovalev.
A descoberta é um triunfo do programa MOJAVE, um esforço de décadas para monitorar jatos relativísticos em galáxias ativas usando o Very Long Baseline Array (VLBA). Cientistas utilizam a técnica de Interferometria de Muito Longo Base (VLBI), que conecta telescópios de rádio em todo o mundo para formar um telescópio virtual do tamanho da Terra. Isso proporciona a melhor resolução disponível em astronomia, permitindo que eles estudem os detalhes finos 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 cofundador do programa.
Esse 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 de multimensageiros.
Informações de Contexto
Um blazar é um tipo de núcleo galáctico ativo alimentado por um buraco negro supermassivo que lança um jato de plasma movendo-se 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 pareçam brilhantes em todo o espectro eletromagnético e permite que os cientistas estudem processos físicos extremos – incluindo a aceleração de partículas a energias muito além das alcançadas em aceleradores feitos pelo homem.
O VLBA (Very Long Baseline Array) é um array de dez antenas, localizadas em locais nos Estados Unidos continentais e em 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 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 na luminosidade de rádio e polarização em jatos associados a galáxias ativas visíveis no céu do hemisfério norte. As observações são feitas com o Very Long Baseline Array, que nos permite criar imagens de polarização total com uma resolução angular melhor do 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 de campos magnéticos dos jatos em escalas de luz-ano, próximas de onde se originam no núcleo ativo, e como essa atividade se correlaciona com a emissão de radiação eletromagnética de alta energia e neutrinos.
MuSES, que significa Estudos de Multi-mensageiros de Fontes Energéticas, é uma iniciativa pioneira em astrofísica. É dedicada ao estudo de Núcleos Galácticos Ativos, que são alguns dos aceleradores de partículas mais poderosos conhecidos no cosmos. Esses corpos celestes aproveitam a energia gravitacional da matéria acumulada 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 é bem compreendida, o que representa um desafio formidável para os pesquisadores. O MuSES visa abordar essas questões fundamentais aproveitando os recentes avanços na astronomia de multimensageiros.
O projeto MuSES recebeu financiamento da União Europeia (acordo de concessão ERC n.º 101142396). As opiniões e visões expressas, no entanto, são apenas dos(s) autor(es) e não refletem necessariamente as da União Europeia ou da Agência Executiva do Conselho Europeu de Pesquisa (ERCEA). Nem a União Europeia nem a autoridade concedente podem ser responsabilizadas por elas.
