A humanidade chegou a um ponto em que consegue registar uma única partícula de altíssima energia vinda do espaço - e, a partir disso, tentar descobrir onde, na natureza, algo assim poderia ter sido gerado.
Para a maioria das pessoas, esse tipo de pergunta passa longe de ser importante. Ainda assim, para quem tem curiosidade científica e oportunidade de a alimentar, a deteção de um neutrino extremamente energético em 2023 foi um acontecimento fora do comum - e pode vir a revelar-se histórico.
KM3NeT e o neutrino de energia extrema detetado no Mediterrâneo
O Telescópio de Neutrinos de Um Quilómetro Cúbico, conhecido como KM3NeT, registou esse neutrino a partir da sua instalação no fundo do Mar Mediterrâneo. A energia estimada, cerca de 220 PeV, supera com folga tudo o que conseguimos produzir nos nossos aceleradores mais potentes, incluindo o Grande Colisor de Hádrons (LHC).
O Sol liberta continuamente neutrinos - os chamados neutrinos solares -, mas eles são pouco energéticos quando comparados com esse evento.
O sinal batizado de KM3-230213A, associado a um neutrino na faixa de 100 PeV, é gigantesco frente ao fluxo típico do Sol: esse único evento foi aproximadamente um bilião de vezes mais energético do que um neutrino solar médio.
O que poderia “turboalimentar” um neutrino desses?
Não há muitas classes de fenómenos astrofísicos com potencial para acelerar um neutrino a essa escala. Na prática, nenhum objeto ou processo atualmente bem compreendido explica o fenómeno de forma convincente.
Entre as hipóteses que têm sido consideradas estão:
- transientes ópticos alimentados por pulsares;
- explosões de raios gama (gamma-ray bursts);
- decaimento de matéria escura;
- núcleos galácticos ativos;
- fusões de buracos negros;
- diferentes cenários que envolvem buracos negros primordiais.
Um novo estudo publicado na Physical Review Letters apresenta mais uma proposta - e ela também se apoia na ideia de buracos negros primordiais. O trabalho chama-se “Explicando os fluxos de neutrinos em PeV no KM3NeT e no IceCube com buracos negros primordiais quase-extremais”, liderado por Michael Baker, professor assistente de Física na Universidade de Massachusetts, Amherst (UMass Amherst).
Os autores resumem o problema assim: o KM3NeT observou recentemente um neutrino com energia em torno de 100 PeV, enquanto o IceCube já detetou cinco neutrinos com energias acima de 1 PeV. Como não existem fontes astrofísicas estabelecidas para esses sinais, eles propõem que buracos negros primordiais em explosão poderiam ser a origem desses neutrinos de alta energia.
Buracos negros primordiais (PBHs): hipótese, origem e densidade
Os buracos negros primordiais (PBHs, na sigla em inglês) são, por enquanto, totalmente hipotéticos. A teoria sugere que, ao contrário dos buracos negros de massa estelar, eles não dependeriam da morte de uma estrela massiva (explosão e colapso) para se formarem. Em vez disso, teriam surgido logo após o Big Bang, a partir de aglomerados densos de matéria subatómica, numa época em que as regras físicas do Universo eram muito diferentes das atuais.
Embora sejam muito menores do que os buracos negros de massa estelar, os PBHs continuariam a ser incrivelmente densos. A máxima popular de que “nada - nem mesmo a luz - escapa de um buraco negro” permanece válida. Além disso, esses objetos partilhariam com os seus “parentes” um ingrediente crucial: a Radiação de Hawking.
Radiação de Hawking: por que PBHs pequenos podem ser “observáveis”
A Radiação de Hawking (RH), proposta por Stephen Hawking, afirma que, com o tempo, um buraco negro perde massa ao emitir radiação e pode, em última instância, evaporar, a menos que ganhe massa ao acumular matéria.
O problema é que, em condições normais, essa radiação seria tão fraca que ficaria muito abaixo do limiar de deteção dos telescópios atuais. Em buracos negros de massa estelar, ela seria praticamente impossível de observar. Já no caso de PBHs muito mais leves, o cenário pode mudar.
Segundo a coautora Andrea Thamm, também professora assistente de Física na UMass Amherst, quanto menor for o buraco negro, mais quente ele deveria ser - e mais partículas tenderia a emitir.
À medida que os PBHs evaporam, tornam-se ainda mais leves e, portanto, mais quentes, passando a emitir cada vez mais radiação num processo de retroalimentação acelerada, até culminar numa explosão. É essa radiação de Hawking, associada ao fim do processo, que pode deixar sinais acessíveis aos nossos instrumentos.
A explosão final: neutrinos de altíssima energia como KM3-230213A
Na interpretação do estudo, a evaporação via RH em regime acelerado levaria, inevitavelmente, a um último clarão. No segundo final de vida, o PBH atingiria temperaturas extremas e sofreria uma evaporação explosiva. Esse desfecho poderia gerar neutrinos de altíssima energia, compatíveis com um evento como o KM3-230213A.
A equipa de pesquisa sugere que algo desse tipo poderia ocorrer, em média, uma vez por década. E, nessas explosões, não surgiriam apenas partículas que já conhecemos - como elétrons e quarks -, mas também um conjunto abundante de outras partículas: algumas apenas postuladas atualmente e outras possivelmente ainda desconhecidas.
O obstáculo: por que o IceCube não viu o KM3-230213A?
Os autores consideram que o KM3-230213A pode ser indício de evaporação de PBHs - mas reconhecem uma dificuldade importante. O Observatório de Neutrinos IceCube não registou esse evento e, mais do que isso, nunca observou um neutrino com energia sequer próxima da estimada para o KM3-230213A.
Se uma explosão por evaporação de PBH acontece aproximadamente a cada dez anos, não seria razoável esperar que o IceCube tivesse captado pelo menos uma, dado que observa o céu há cerca de 20 anos?
A resposta proposta envolve um tipo incomum de PBH.
Buracos negros primordiais quase-extremais com “carga escura”
Para resolver a discrepância, os investigadores introduzem o conceito de PBHs com “carga escura”, aos quais chamam PBHs quase-extremais. O coautor Joaquim Iguaz Juan, pós-doutorando em Física na UMass Amherst, descreve esses objetos como a peça que faltava.
Na explicação do estudo, essa “carga escura” estaria associada a uma versão hipotética e muito pesada do elétron - um “elétron escuro”. Com essa propriedade, o PBH passaria a maior parte do tempo num estado quase-extremal, isto é, muito próximo do máximo rácio possível entre carga e massa.
Por que KM3NeT e IceCube podem contar histórias diferentes
Outro ponto essencial é que KM3NeT e IceCube são mais sensíveis a faixas de energia distintas. O IceCube, segundo o texto, estaria limitado a cerca de 10 PeV, o que ajudaria a entender por que não registou o KM3-230213A.
Para Baker, a presença desse ingrediente adicional - a tal “carga escura” - fortalece a plausibilidade da proposta, mesmo tornando o cenário mais elaborado. Na visão dele, um modelo mais complexo pode, precisamente por isso, aproximar-se melhor do que acontece no mundo real, e o aspeto mais marcante é conseguir explicar um fenómeno que, de outro modo, permaneceria sem explicação.
Implicações e próximos passos para a astrofísica de neutrinos
Se a hipótese estiver correta, a deteção de neutrinos em energias tão elevadas passa a ser não só um mistério pontual, mas também uma possível janela para física além do que já confirmámos: desde a existência de buracos negros primordiais até a presença de partículas hipotéticas associadas a um “setor escuro”. Isso aumenta a importância de observações coordenadas entre detetores com sensibilidades complementares e de melhorias na capacidade de medir energias extremas com maior precisão.
Além disso, a continuidade do monitoramento por redes globais e a acumulação de eventos semelhantes serão decisivas: com mais deteções, será possível verificar se há uma taxa compatível com “uma por década”, procurar assinaturas secundárias e confrontar previsões do modelo com padrões reais de energia e direção de chegada.
Este artigo foi originalmente publicado pelo Universe Today. Leia o artigo original.
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