Pontos-chave

• Uma visão do 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 concentrado é muito lento para explicar a emissão de neutrinos.
• Campos magnéticos em espiral 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 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. Destacava-se como o blazar emissor de neutrinos mais brilhante no céu – identificado pelo IceCube Neutrino Observatory – e também brilhando em raios gama de muito alta energia, observados por telescópios Cherenkov baseados em terra. No entanto, de forma estranha, seu jato de rádio parecia se mover lentamente, contradizendo as expectativas de que apenas os jatos mais rápidos podem gerar emissões tão intensas de alta energia.

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 parecia absolutamente deslumbrante,” 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 igual — um campo magnético toroidal quase perfeito com um jato apontando diretamente para nós.”

Como o jato está quase perfeitamente alinhado 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.”

Essa geometria em linha reta 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 extremos níveis de energia.

“Resolver esse enigma confirma que núcleos galácticos ativos com buracos negros supermassivos não são apenas poderosos aceleradores 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 que dura décadas para monitorar jatos relativísticos em galáxias ativas usando o Very Long Baseline Array (VLBA). Os cientistas utilizam a técnica de Very Long Baseline Interferometry (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 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 realidade,” diz Anton Zensus, diretor do MPIfR e cofundador do programa.

Esse resultado fortalece a conexão entre jatos relativísticos, neutrinos de alta energia e o papel dos campos magnéticos na formação de aceleradores cósmicos — marcando um marco na astronomia multimessager.

Informações de Fundo

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 a 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 das alcançadas em aceleradores feitos pelo homem.

O VLBA (Very Long Baseline Array) é um conjunto de dez antenas, localizadas em todo os Estados Unidos continentais e no Havai e St. Croix, que opera no modo de interferometria de longa base (VLBI). Os espaçamentos entre as antenas variam até aproximadamente dez mil quilômetros, proporcionando uma resolução angular no céu tão fina quanto 50 micro-arcossegundos.

MOJAVE (Monitoramento de Jatos em Núcleos Galácticos Ativos com Experimentos VLBA) é um programa de longo prazo para monitorar variações de brilho e polarização de rádio em jatos associados a galáxias ativas visíveis no céu do norte. As observações são realizadas com o Very Long Baseline Array, que nos permite fazer 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 utilizando esses dados para entender melhor a evolução complexa e as estruturas de campo magnético dos jatos em escalas de anos-luz, próximas a onde eles se originam no núcleo ativo, e como essa atividade se correlaciona com emissões eletromagnéticas de alta energia e neutrinos.

MuSES, que significa Estudos 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, representando um desafio formidável para os pesquisadores. O MuSES tem como objetivo abordar essas questões fundamentais, aproveitando os avanços recentes na astronomia multimensageira.

O projeto MuSES recebeu financiamento da União Europeia (acordo de subvenção ERC nº 101142396). As visões e opiniões expressas são, entretanto, dos autor(es) apenas e não refletem necessariamente aquelas 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.