Esta imagem mostra um close-up da galáxia com lente gravitacional apelidada de "Shadow Blaster", que os astrônomos identificaram como a provável fonte do evento de neutrino de alta energia IC 210922A, detectado pelo Observatório de Neutrinos IceCube em 2021.
A lente gravitacional ocorre quando uma galáxia muito massiva em primeiro plano curva o espaço-tempo, agindo como uma lupa cósmica que amplia e distorce a imagem de uma galáxia mais distante atrás dela. Neste caso, uma galáxia em primeiro plano, que não é visível nesta imagem, está curvando a luz da galáxia Shadow Blaster mais distante, criando múltiplas imagens distorcidas dela que aparecem aqui como arcos amarelos. Crédito: NOIRLab/NSF/AURA/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
O efeito de lente gravitacional permitiu aos astrônomos estudar uma galáxia compacta e obscurecida por poeira, de 11 bilhões de anos atrás, que é a candidata mais plausível para um evento de neutrino detectado pelo IceCube.
Destaques
- O ALMA resolveu uma galáxia distante, obscurecida por poeira, em quatro imagens com lente gravitacional e revelou uma região extremamente compacta de intensa formação estelar.
- A galáxia, apelidada de "Shadow Blaster", está localizada na região de localização do evento de neutrino de alta energia IC 210922A.
- Sua posição, raridade e núcleo denso e rico em gás fazem dele o candidato mais plausível para contraparte eletromagnética identificado dentro da região de localização do neutrino, embora um alinhamento fortuito não possa ser descartado.
- Os resultados sugerem que populações de galáxias compactas com surtos de formação estelar durante o "Meio-dia Cósmico" podem dar uma contribuição significativa, embora subdominante, ao fundo de neutrinos de alta energia.
Astrônomos que utilizam o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) revelaram a estrutura oculta de uma galáxia com intensa formação estelar, tal como ela era há quase 11 bilhões de anos. Localizada na mesma região do céu que um neutrino de alta energia detectado pelo Observatório de Neutrinos IceCube, a galáxia é a contraparte eletromagnética mais plausível já identificada para esse evento.
Oficialmente designada JCMT0402−0424 e apelidada de "Shadow Blaster", a galáxia está tão profundamente obscurecida por poeira que é quase invisível em comprimentos de onda ópticos. Observações do ALMA mostraram que sua luz foi ampliada e distorcida pela gravidade de uma galáxia massiva em primeiro plano, dividindo-a em quatro imagens separadas. Combinando os dados de alta resolução do ALMA com a modelagem de lentes gravitacionais, a equipe de pesquisa reconstruiu a verdadeira estrutura da galáxia e investigou o gás denso que alimenta sua explosão estelar.
Um mensageiro cósmico de origem incerta.
Os neutrinos são partículas elementares eletricamente neutras que interagem apenas fracamente com a matéria. Eles podem viajar através de gás, poeira e campos magnéticos praticamente sem sofrer alterações, carregando informações diretamente de alguns dos ambientes mais energéticos do universo.
Em 22 de setembro de 2021, o IceCube — instalado nas profundezas do gelo da Antártida — detectou um evento de neutrino de alta energia, designado IC 210922A, com uma energia estimada em cerca de 750 teraelétron-volts, muito além do que a maioria dos processos astronômicos conhecidos consegue produzir. Telescópios ao redor do mundo vasculharam a região de localização do neutrino em todo o espectro eletromagnético, mas não encontraram nenhum sinal transitório convincente em raios gama, raios X ou luz para explicá-lo.
Observações subsequentes com o Telescópio James Clerk Maxwell revelaram uma fonte submilimétrica excepcionalmente brilhante dentro da região. O Submillimeter Array refinou sua posição, e o ALMA então forneceu a resolução e os detalhes espectrais necessários para determinar sua natureza física. A equipe estima que a probabilidade de encontrar uma galáxia submilimétrica tão incomumente brilhante aleatoriamente dentro da região de localização do IceCube seja de aproximadamente 1% ou menos. Isso não estabelece uma ligação física definitiva, mas a coincidência posicional — combinada com a ausência de qualquer alternativa igualmente plausível — torna Shadow Blaster a principal candidata a contraparte no campo.
ALMA revela quatro imagens de uma galáxia oculta.
O ALMA observou Shadow Blaster nas bandas 3, 4 e 5. Seus dados de contínuo de mais alta resolução resolveram a fonte em quatro imagens distintas dispostas ao redor de uma galáxia elíptica em primeiro plano — a assinatura de lente gravitacional forte, na qual a gravidade da galáxia em primeiro plano curva e amplia a luz da fonte de fundo muito mais distante, atuando como um telescópio cósmico natural.
Usando as quatro imagens com efeito de lente gravitacional, juntamente com dados ópticos e infravermelhos da galáxia em primeiro plano, a equipe modelou o efeito de lente e reconstruiu a aparência intrínseca de Shadow Blaster. A reconstrução revelou uma extensa região de formação estelar com aproximadamente 1.700 anos-luz de diâmetro, além de um componente ainda mais compacto e não resolvido. A ampliação causada pela lente gravitacional permitiu que o ALMA resolvesse escalas espaciais que seriam extremamente difíceis de estudar a essa distância.
Uma explosão estelar compacta e rica em gás
O ALMA detectou diversas linhas de emissão de monóxido de carbono e carbono atômico neutro, estabelecendo um desvio para o vermelho preciso de 2,988 — o que significa que a luz começou sua jornada quando o universo tinha apenas alguns bilhões de anos, durante a era conhecida como "Meio-dia Cósmico", quando as galáxias formavam estrelas nas taxas mais altas da história cósmica.
Essas medições de linhas moleculares permitem aos astrônomos examinar a excitação e o movimento do gás dentro da galáxia. Os dados não mostram nenhum sinal claro de que um poderoso núcleo galáctico ativo domine sua produção de energia; em vez disso, as propriedades do gás apontam para um episódio intenso e compacto de formação estelar. Após corrigir a ampliação gravitacional, a equipe estima que a galáxia esteja formando centenas de massas solares de estrelas por ano, com grandes quantidades de gás e poeira concentradas em uma região central compacta.
Essa densidade é importante para a questão dos neutrinos: ela cria condições em que raios cósmicos energéticos podem colidir repetidamente com a matéria circundante, produzindo partículas de vida curta que se desintegram em raios gama e neutrinos. Explosões estelares densas e empoeiradas podem atuar como "calorímetros" de raios cósmicos — aprisionando partículas energéticas por tempo suficiente para que grande parte de sua energia seja convertida nessas partículas secundárias.
Uma possível população de fontes ocultas de neutrinos.
A produção esperada de neutrinos de qualquer galáxia empoeirada com formação estelar é modesta, e o estudo não afirma que Shadow Blaster tenha sido identificada conclusivamente como a fonte de IC 210922A. Mas a localização, a raridade, a estrutura compacta e o núcleo rico em gás da galáxia reforçam a hipótese de uma possível associação — e sugerem que galáxias semelhantes poderiam contribuir coletivamente para o fundo difuso de neutrinos de alta energia observado em todo o céu.
A modelagem populacional no estudo indica que galáxias starburst com núcleo compacto e poeira poderiam ser responsáveis por aproximadamente 15%, e no máximo em torno de 20% nos modelos considerados, do fluxo difuso de neutrinos astrofísicos entre dezenas de teraelétron-volts e petaelétron-volts de energia. Essa seria uma contribuição significativa, porém subdominante — o que implica que diversas classes diferentes de objetos astronômicos são provavelmente responsáveis pelos neutrinos detectados pelo IceCube e outros observatórios.
O resultado é uma demonstração clara da astronomia multimensageira em ação: combinando um sinal de partícula com observações em todo o espectro eletromagnético. Também destaca a capacidade única do ALMA de revelar o gás denso, a poeira e as estruturas compactas escondidas dentro das galáxias, que a luz visível sozinha não consegue penetrar.
Informações adicionais
Esta pesquisa é apresentada no artigo "Compact dusty starbursts at cosmic noon linked to high-energy neutrinos", de Y. Urata et al., publicado na Nature Astronomy .
Este artigo baseia-se no comunicado de imprensa original do Observatório Astronômico Nacional do Japão (NAOJ), um parceiro do ALMA em nome da Ásia Oriental.
O Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), uma instalação astronômica internacional, é uma parceria entre o Observatório Europeu do Sul (ESO), a Fundação Nacional de Ciência dos EUA (NSF) e os Institutos Nacionais de Ciências Naturais (NINS) do Japão, em cooperação com a República do Chile. O ALMA é financiado pelo ESO em nome de seus Estados-Membros, pela NSF em cooperação com o Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá (NRC) e o Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia (NSTC) de Taiwan, e pelo NINS em cooperação com a Academia Sinica (AS) de Taiwan e o Instituto Coreano de Astronomia e Ciências Espaciais (KASI).
A construção e as operações do ALMA são lideradas pelo ESO em nome de seus Estados-Membros; pelo Observatório Nacional de Radioastronomia (NRAO), gerenciado pela Associated Universities, Inc. (AUI), em nome da América do Norte; e pelo Observatório Astronômico Nacional do Japão (NAOJ) em nome do Leste Asiático. O Observatório Conjunto do ALMA (JAO) fornece a liderança e a gestão unificadas da construção, do comissionamento e da operação do ALMA.
