Galactic Microquasar and Supernova Remnants Imprinting on Diffuse Neutrino and Gamma-Ray Sky

No coração profundo da nossa Via Láctea, uma chuva constante e invisível de partículas cai das estrelas. Estes são os raios cósmicos, prótons e núcleos atômicos de alta velocidade que viajam pela galáxia a quase a velocidade da luz. Há décadas, os cientistas sabem que estas partículas nascem em eventos cósmicos violentos, como as explosões de estrelas massivas, mas a mistura exata de fontes e como elas viajam até nós permaneceu um enigma. Quando estes raios cósmicos colidem com o gás tênue que preenche o espaço entre as estrelas, eles criam uma chuva secundária de partículas, incluindo neutrinos fantasmagóricos e raios gama de alta energia. Detectar estes sinais secundários é como ver o respingo de uma pedra lançada em um lago escuro; isso nos diz que a pedra estava lá, mesmo que não possamos ver quem a lançou. Compreender a origem deste brilho difuso é crucial porque ele forma o ruído de fundo contra o qual os astrônomos devem procurar por fontes específicas e poderosas. Se não pudermos mapear este fundo com precisão, não poderemos distinguir os sussurros tênues de novos aceleradores cósmicos do rugido da própria galáxia.

Uma equipe de pesquisadores construiu agora um novo e detalhado mapa deste fundo cósmico, revelando que a história do céu de alta energia da galáxia é contada por dois grupos distintos de motores cósmicos trabalhando em conjunto. Em um estudo publicado em agosto de 2026, Shiqi Yu e Bing Theodore Zhang desenvolveram um modelo computacional que rastreia como os raios cósmicos de dois tipos diferentes de fontes — remanescentes de supernovas e microquasares — se espalham pela galáxia e interagem com o gás interestelar. Remanescentes de supernovas são as conchas expansivas de detritos deixadas quando estrelas massivas explodem, enquanto microquasares são sistemas onde um buraco negro ou uma estrela de nêutrons puxa matéria de uma estrela companheira, disparando jatos poderosos de partículas. Os pesquisadores descobriram que estas duas populações não contribuem igualmente em todas as energias. Em vez disso, elas dominam diferentes partes do espectro de energia, criando uma transição contínua que explica observações recentes do Observatório de Neutrinos IceCube e do telescópio de raios gama LHAASO.

A abordagem da equipe foi tratar estas duas populações de fontes como atores independentes, cada um com suas próprias regras para o quão rápido acelera partículas e quão longe essas partículas podem viajar. Eles simularam o movimento dos raios cósmicos ao longo de milhões de anos, ancorando seus cálculos em medições precisas de raios cósmicos detectados próximos à Terra pelos instrumentos DAMPE e LHAASO. Ao alimentar estas medições locais em um modelo tridimensional da distribuição de gás da galáxia, eles puderam prever quantos neutrinos e raios gama deveriam ser produzidos em cada direção. Os resultados mostraram uma clara divisão de tarefas. Em energias mais baixas, abaixo de cerca de 10 trilhões de elétron-volts, o brilho difuso é quase inteiramente o trabalho de remanescentes de supernovas. Estas antigas explosões estelares têm semeado a galáxia com raios cósmicos por eras, criando um fundo constante e generalizado. No entanto, conforme a energia aumenta acima deste limiar, a contribuição dos remanescentes de supernovas diminui, e um novo jogador assume a liderança: os microquasares.

Esta mudança é significativa porque resolve um problema de longa data sobre como a galáxia acelera partículas às energias mais altas conhecidas. Embora os remanescentes de supernovas sejam excelentes em acelerar partículas, eles podem ter dificuldade em impulsioná-las além de um certo limite. Os microquasares, com seus campos magnéticos intensos e jatos relativísticos, parecem capazes de atuar como "Pevatrons", acelerando partículas a energias mil vezes maiores do que as produzidas pelo Grande Colisor de Hádrons. O modelo sugere que o endurecimento do espectro de raios cósmicos em altas energias não é um mistério, mas uma consequência natural da assunção do controle pelos microquasares. Quando os pesquisadores compararam suas previsões com os dados reais coletados pelo IceCube ao longo de doze anos, a correspondência foi notavelmente próxima. Seu modelo reproduziu com sucesso o fluxo observado de neutrinos, fornecendo uma base fisicamente motivada que explica as contribuições de ambos os tipos de fontes sem a necessidade de inventar nova física.

A mesma lógica aplicou-se aos raios gama, os primos de alta energia da luz visível. Os pesquisadores descobriram que seu modelo, que incluía os efeitos dos microquasares, alinhou-se bem com as observações do LHAASO, particularmente em energias acima de 100 trilhões de elétron-volts. Nestas energias extremas, o céu de raios gama é dominado pelas interações hádrônicas de prótons provenientes de microquasares, criando um sinal limpo que é menos contaminado por outros processos. Abaixo deste limiar, os dados mostraram um leve excesso que o modelo não capturou totalmente, provavelmente devido a elétrons espalhando luz ou fontes tênues e não resolvidas que são muito fracas para serem vistas individualmente. Esta lacuna residual destaca onde observações futuras podem refinar o quadro, mas a descoberta central permanece robusta: o céu difuso de alta energia é um composto de duas populações distintas.

O estudo também revelou como a estrutura da galáxia molda o que vemos. Como os neutrinos são produzidos apenas quando os raios cósmicos colidem com bolsões densos de gás, o mapa resultante de emissão de neutrinos não é um brilho suave e uniforme. Em vez disso, ele traça a estrutura filamentosa e irregular do meio interestelar, criando "pontos quentes" localizados onde o gás é mais denso. Estes pontos não marcam necessariamente a localização de um acelerador ativo; em vez disso, eles mostram onde o mar constante de raios cósmicos, fluindo de todas as direções, por acaso atinge a maior quantidade de matéria. Esta distinção é vital para astrônomos que buscam novas fontes pontuais, pois ajuda a separar o sinal real de um objeto específico do fundo complexo e texturizado da galáxia.

Ao desacoplar as contribuições de remanescentes de supernovas e microquasares, os pesquisadores forneceram uma estrutura flexível que pode ser testada e atualizada conforme novos dados chegam. O trabalho deles sugere que o fundo difuso não é uma entidade única e monolítica, mas uma tapeçaria em camadas tecida a partir de diferentes fios cósmicos. Este entendimento oferece uma base sólida para a próxima geração de observatórios multi-mensageiros, que usarão neutrinos e raios gama para observar mais profundamente a galáxia. Com uma imagem mais clara do fundo, esses instrumentos estarão melhor equipados para identificar os aceleradores mais poderosos do universo, transformando o brilho tênue e difuso da Via Láctea em um mapa preciso de seus processos mais violentos e energéticos.