Este estudo marca uma virada: quatro redes de telescópios Cherenkov atmosféricos (FACT, H.E.S.S., MAGIC, VERITAS) e o Large Area Telescope (LAT) do satélite Fermi partilharam os seus dados pela primeira vez para procurar nos seus dados eventos gama que teriam vindo da mesma fonte que os neutrinos detetados pelo IceCube em 2017. Uma cooperação inédita entre instalações habitualmente em competição!
IceCube Lab ao pôr do sol - 2017.
Crédito: Martin Wolf, IceCube/NSF
A análise inclui observações de acompanhamento de eventos de neutrinos de alta energia observados pelos quatro observatórios entre setembro de 2017 (após o evento IceCube-170922A) e janeiro de 2021. O estudo não encontrou nenhuma associação entre as fontes de raios γ e os eventos de neutrinos observados, mas permitiu fornecer limites superiores combinados sobre o fluxo de raios γ de muito alta energia que essas fontes poderiam emitir. Estes limites são mais restritivos do que os obtidos por um único telescópio, porque se baseiam numa sensibilidade aumentada graças à combinação dos dados.
Estes limites permitem descartar alguns modelos teóricos de aceleração de raios cósmicos. Se um modelo prevê um fluxo de raios gama superior aos limites estabelecidos, ele deve ser revisto.
Porquê procurar raios gama associados aos neutrinos?
A astronomia entrou na era da astrofísica "multimensageira", onde os fenómenos cósmicos são estudados não apenas com recurso à radiação eletromagnética, mas também a ondas gravitacionais e neutrinos.
Quando um neutrino é produzido numa fonte astrofísica (como um blazar ou um remanescente de supernova), ele deveria ser acompanhado por raios gama de alta energia. Estes raios gama, ao contrário dos neutrinos, são mais fáceis de detetar e se detetarmos raios gama, isso confirma que a fonte é de facto um acelerador cósmico. Se não detetarmos nada, podemos ainda assim estabelecer um limite superior sobre o fluxo de raios gama que essa fonte poderia emitir.
Mapa do céu em coordenadas equatoriais mostrando as posições dos alertas do IceCube entre setembro de 2017 e janeiro de 2021.
Os alertas acompanhados pelos telescópios Cherenkov atmosféricos são representados a cores (conforme o tipo de alerta), enquanto os não acompanhados estão a cinza.
As letras indicam quais telescópios participaram nas observações (F:FACT, H:H.E.S.S., M:MAGIC, V:VERITAS).
Os investigadores:
- procuraram fontes de raios gama conhecidas relacionadas com eventos de neutrinos detetados pelo IceCube entre setembro de 2017 e janeiro de 2021.
- coordenaram as observações de vários telescópios de raios gama (H.E.S.S. para o céu austral, MAGIC, VERITAS e FACT para o céu boreal, bem como o Large Area Telescope (LAT) do Fermi).
- combinaram depois os seus dados para estabelecer limites superiores conjuntos sobre o fluxo de raios gama associado a cada evento neutrino.
Resultado: Se os telescópios tivessem detetado raios gama em coincidência com os neutrinos, isso teria confirmado a identidade da fonte.
Como nenhuma deteção significativa foi feita na maioria dos casos, os investigadores puderam estabelecer limites superiores sobre o fluxo de raios gama que essas fontes poderiam emitir. Estes limites são mais restritivos do que os obtidos por um único telescópio, porque se baseiam numa cobertura completa do céu e numa sensibilidade aumentada graças à combinação dos dados.
Exemplo concreto: O caso do blazar 1ES 1312-423
No estudo, um caso particular chamou a atenção: em março de 2019, o H.E.S.S. detetou raios gama de muito alta energia provenientes do blazar 1ES 1312-423, depois de o IceCube ter detetado um aglomerado de neutrinos na mesma região do céu. No entanto, após uma análise aprofundada, os investigadores concluíram que:
- O fluxo de raios gama observado era compatível com a emissão "normal" deste blazar.
- Os neutrinos detetados pelo IceCube provavelmente não estavam ligados a este blazar, mas sim a uma flutuação aleatória do fundo de neutrinos.
- Os limites superiores estabelecidos para as outras fontes permitiram concluir que nenhuma fonte mostrava uma correlação clara entre neutrinos e raios gama durante o período estudado.
O que significam estes limites para a ciência:
- Excluir modelos teóricos: O estudo fornece um "conjunto de dados de referência" que restringe os modelos teóricos de emissão de neutrinos. Por exemplo, se um modelo prevê que uma fonte deve emitir um fluxo de raios gama superior ao limite superior fixado pela análise conjunta, então esse modelo é inválido e deve ser revisto.
- Demonstra a capacidade da geração atual de telescópios Cherenkov de funcionar como uma rede global, reagindo rapidamente aos alertas do observatório de neutrinos IceCube.
- Este trabalho prepara o terreno para o futuro da astronomia temporal. As lições tiradas destas pesquisas coordenadas são essenciais para o futuro Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO), que oferecerá uma sensibilidade melhorada e tempos de reação rápidos.
- Além disso, a rede global está a preparar-se para assegurar o acompanhamento dos alertas provenientes dos observatórios de neutrinos de próxima geração, como o KM3NeT, o que aumentará consideravelmente a nossa capacidade de capturar estes eventos cósmicos violentos em flagrante.