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O telescópio IceCube capturou a primeira imagem de neutrinos da Via Láctea, revelando uma concentração de partículas de alta energia no plano e no centro da nossa galáxia.
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As ferramentas de aprendizado profundo permitem que os pesquisadores identifiquem mais de 20 vezes mais eventos úteis, extraindo o fraco sinal galáctico da vasta radiação de fundo.
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O sinal recebido confirma de forma convincente que a Via Láctea é uma fonte de neutrinos de alta energia, mas os pesquisadores ainda não conseguem identificar fontes individuais ou determinar qual modelo de emissão está correto.
A Via Láctea tem sido mapeada há muito tempo usando a luz das estrelas, ondas de rádio e raios gama. Agora, ela aparece sob uma luz completamente diferente: uma imagem fantasmagórica obtida por meio de neutrinos de alta energia, com o sinal mais forte concentrado no centro da galáxia.
A imagem foi obtida como resultado de 10 anos de observações pelo observatório de neutrinos IceCube no Polo Sul. Os resultados foram publicados em Revista Science , comprovam de forma convincente que a própria Via Láctea produz neutrinos de alta energia.
Membros da colaboração IceCube das Universidades de Estocolmo e Uppsala participaram da análise dos dados. Seu trabalho sugere que as interações de raios cósmicos perto do Centro Galáctico podem ser mais intensas do que se previa anteriormente.
«"Observar nossa galáxia usando neutrinos é algo com que sempre sonhamos, mas que parecia inatingível para o nosso projeto por muitos anos", disse Chad Finley, professor associado do Departamento de Física da Universidade de Estocolmo. "O resultado de hoje foi possível graças à revolução do aprendizado de máquina, que nos permitiu analisar nossos dados com muito mais profundidade do que antes.".
Mapa de melhor ajuste dos resultados preliminares da busca em todo o céu, mostrado na projeção de Aitoff da esfera celeste em coordenadas equatoriais (equinócio J2000). (Crédito: Chad Finley et al., Neutrino Astrophysics)
Partículas fantasmas rastreiam colisões de raios cósmicos.
Os neutrinos são partículas minúsculas que raramente interagem com a matéria. Isso os torna difíceis de detectar, mas os torna úteis como mensageiros cósmicos, pois se movem através da matéria e do espaço com mínima perturbação.
O plano galáctico já foi considerado uma fonte provável de neutrinos. Raios cósmicos de alta energia, incluindo prótons energéticos e núcleos atômicos, colidem com gás e poeira na Via Láctea. Essas colisões produzem partículas chamadas píons.
Os píons neutros decaem em raios gama, enquanto os píons carregados decaem em neutrinos. Como ambos os tipos de partículas podem ser produzidos por interações de raios cósmicos, os astrônomos esperavam um amplo brilho de neutrinos ao longo do plano galáctico. Observações de raios gama já mapearam grande parte dessa atividade, mas as previsões referentes aos neutrinos permaneciam incertas.
A instalação IceCube proporcionou a oportunidade de testar diretamente essas expectativas. Seus 5.160 módulos ópticos digitais estão localizados de 1,5 a 2,5 quilômetros abaixo da superfície da Antártica. Eles detectam a radiação Cherenkov, que ocorre quando neutrinos interagem com núcleos no gelo ou na rocha.
O aprendizado profundo extrai sinais fracos.
Para detectar neutrinos astrofísicos, eles precisam ser separados da vasta radiação de fundo. O IceCube observa eventos em uma frequência de aproximadamente 2,7 quilohertz, provenientes principalmente de partículas atmosféricas, e registra cerca de 100 milhões de múons atmosféricos para cada neutrino astrofísico.
Chad Finley, professor associado de física na Universidade de Estocolmo. (Foto: Søren Andersson)
A equipe de pesquisa concentrou-se em eventos em cascata, chuveiros de partículas compactos formados principalmente por neutrinos eletrônicos e tau, e em algumas interações envolvendo os três tipos de neutrinos.
As cascatas oferecem menor precisão na determinação da direção do que as trajetórias longas de partículas, mas apresentam vantagens no céu austral, onde se localiza o Centro Galáctico. Elas reduzem a contaminação atmosférica por neutrinos em aproximadamente uma ordem de magnitude em energias de teraelétron-volts e permitem um limiar de análise de aproximadamente 1 TeV.
Redes neurais profundas aumentaram significativamente o tamanho da amostra utilizável. O novo método de seleção reteve mais de 20 vezes mais eventos do que o método usado na análise anterior de cascatas do IceCube no plano galáctico. Ele também melhorou a resolução angular em até duas vezes em energias de teraelétron-volts.
Os pesquisadores analisaram dados coletados de maio de 2011 a maio de 2021. A amostra final incluiu 59.592 eventos, abrangendo todo o espectro do céu, de 500 GeV a vários petaelétron-volts. Os dados previamente selecionados incluíam 1.980 eventos ao longo de sete anos de observações.
Estima-se que aproximadamente 6% da amostra final eram múons atmosféricos e aproximadamente 7% eram neutrinos astrofísicos. Os 87% restantes eram neutrinos atmosféricos.
O plano galáctico se destaca
A análise testou três modelos de emissão difusa de neutrinos da Via Láctea. Cada um deles foi baseado em observações de raios gama, mas empregou diferentes pressupostos em relação ao comportamento dos raios cósmicos e à distribuição da radiação.
O plano da Via Láctea em fótons e neutrinos. (Crédito: Chad Finley et al., Neutrino Astrophysics)
Os três modelos apresentaram resultados que superaram os esperados com base apenas nos dados de contexto. Os valores de significância para esses resultados foram 4,71 sigma, 4,37 sigma e 3,96 sigma. Após um ajuste conservador para o teste dos três modelos relacionados, o resultado mais significativo foi de 4,48 sigma.
Um modelo previu uma distribuição mais uniforme de neutrinos ao longo do plano galáctico, enquanto outros concentraram mais radiação perto do centro galáctico. Os dados não nos permitiram determinar qual modelo descreve melhor a distribuição real das fontes.
Uma busca separada, abrangendo todo o céu, examinou regiões individuais. Alguns excessos coincidiram com fontes conhecidas de raios gama, incluindo a Nebulosa do Caranguejo, 3C 454.3 e a região de Cygnus X. Nenhum permaneceu estatisticamente significativo após considerar as múltiplas regiões examinadas.
Isso indica que o sinal galáctico não é determinado por nenhuma fonte pontual óbvia.
As buscas em catálogos, incluindo remanescentes de supernovas, nebulosas formadas por ventos de pulsares e fontes galácticas de raios gama não identificadas, produziram valores de excesso de 3 sigma ou superiores. A equipe não afirmou ter descoberto os objetos porque estes se sobrepõem a regiões onde se espera que a emissão galáctica difusa seja mais forte.
O centro da galáxia pode ser mais ativo do que se pensava anteriormente.
O fluxo de neutrinos observado deixa questões importantes sem resposta. Em um modelo mais simples de píons neutros, o melhor ajuste ao fluxo de alta energia foi aproximadamente cinco vezes maior do que a previsão do modelo.
Contribuição para a Estatística de Teste do Plano Galáctico. A contribuição para a estatística de teste τ é mostrada em coordenadas galácticas (longitude l e latitude b) para cada um dos três modelos do plano galáctico testados. O valor geral da estatística de teste foi obtido pela integração em todo o céu. (Fonte: Chad Finley et al., Neutrino Astrophysics)
A discrepância pode refletir diferenças na propagação dos raios cósmicos perto do Centro Galáctico, mudanças em seu espectro de energia ou uma contribuição de fontes de neutrinos não resolvidas.
Os resultados dos testes favoreceram a emissão difusa ao longo do plano galáctico, mas os dados não permitiram uma discriminação confiável entre os modelos testados ou a identificação de fontes pontuais embutidas.
Dependendo do modelo, o sinal estimado da Via Láctea situa-se entre 6% e 13% do fluxo de neutrinos astrofísicos de 30 TeV previamente observado.
«"As descobertas anteriores do IceCube envolveram a emissão de neutrinos a distâncias muito maiores, e é realmente empolgante que agora possamos ver uma imagem de neutrinos da nossa própria galáxia", disse Claes Hultqvist, professor do Departamento de Física da Universidade de Estocolmo.
Implicações práticas do estudo
Os resultados fornecem aos astrônomos mais uma maneira de estudar as interações de partículas na Via Láctea. Os neutrinos se propagam com interferência mínima, permitindo rastrear interações de raios cósmicos mesmo em locais onde os fótons podem ser absorvidos ou alterados.
O próximo passo é determinar se objetos galácticos específicos contribuem para o sinal e quanto dele se deve a interações difusas com o gás interestelar.
«"Isso abre oportunidades para estudar outros processos usando neutrinos. O primeiro passo é tentar identificar objetos na Via Láctea como fontes de neutrinos. O IceCube-Gen2, a atualização do IceCube que estamos planejando, nos proporcionará uma sensibilidade muito maior para estudos adicionais de eventos galácticos.".
Saiba mais sobre neutrinos galácticos e raios cósmicos.
Esses materiais descrevem como os astrônomos estão refinando o mapa de neutrinos da Via Láctea, buscando fontes galácticas específicas e comparando as observações de neutrinos com os raios cósmicos e os raios gama.
Céu de neutrinos galácticos: Previsões de raios gama. Esta análise recente utiliza medições de raios gama galácticos para refinar as previsões do céu de neutrinos de alta energia e explorar o que as observações atuais e futuras podem revelar sobre as interações de raios cósmicos na Via Láctea. (arXiv, 2026)
Medindo o fluxo de neutrinos no plano astrofísico galáctico e buscando pevatrons galácticos usando a amostra de neutrinos astrofísicos de múltiplos sabores do IceCube. Os pesquisadores do IceCube estão combinando mais de 12 anos de experiência observacional com vários tipos de eventos de neutrinos para aprimorar as medições no plano galáctico e buscar aceleradores de raios cósmicos potentes, incluindo candidatos na região de Cygnus. (Conferência Internacional sobre Raios Cósmicos, 2025)
Análise do fluxo astrofísico difuso do plano galáctico usando 12,1 anos de dados do IceCube: trajetórias iniciais, trajetórias através da galáxia e cascatas. Esta análise do IceCube combina três canais de detecção para medir o espectro de neutrinos galácticos na faixa de energia de TeV a PeV e explorar diferentes regiões da Via Láctea com menor dependência de modelos de emissão fixos. (Conferência Internacional sobre Raios Cósmicos, 2025)
Origem da Emissão Difusa de Raios Gama de Altíssima Energia. Este estudo examina a origem da emissão difusa de raios gama de altíssima energia na Via Láctea e sua relação com as interações de raios cósmicos, fornecendo um contexto importante para a interpretação de neutrinos galácticos. (Astronomia e Astrofísica, 2025)
Caracterização do fluxo difuso de neutrinos astrofísicos usando eventos da trajetória de lançamento do IceCube. Este estudo, baseado em mais de uma década de observações do IceCube, mede um espectro de neutrinos astrofísicos mais amplo, ajudando a estabelecer o fundo de neutrinos de alta energia em relação ao qual a contribuição da Via Láctea deve ser compreendida. (Physical Review D, 2024)
Os resultados do estudo estão disponíveis eletronicamente na revista Science.
O artigo original, "Via Láctea brilha intensamente em imagem inédita de neutrinos", foi publicado pelo The Brighter Side of News.
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