A reconexão magnética pode impulsionar a emissão de neutrinos em coroas de AGN?

Para investigar essa hipótese, modelamos a coroa do buraco negro supermassivo como um plasma de hidrogênio fortemente turbulento, caracterizado por um baixo parâmetro beta ($β$) e ausência de colisões significativas. Este modelo incorpora um tamanho característico da coroa ($r_{\rm co}$), uma intensidade de campo magnético ($B$), uma densidade de prótons ($n_p$) e uma densidade de energia de radiação ($u_{\rm rad}$). A escolha de um plasma sem colisão é justificada pelas baixas densidades esperadas em coroas de AGN, onde o livre caminho médio das partículas é muito maior do que as escalas de interesse. A turbulência, por sua vez, é um componente essencial, pois pode gerar as folhas de corrente onde a reconexão magnética ocorre, além de facilitar a aceleração estocástica de partículas. A interação entre esses parâmetros físicos define o ambiente complexo onde a aceleração de prótons é proposta, sendo fundamental para a dinâmica energética e a subsequente emissão de neutrinos.

A complexidade do sistema é gerenciada pela combinação de dados observacionais, que permitem restringir o espaço de parâmetros do modelo. Especificamente, a luminosidade observada dos neutrinos na banda do IceCube, juntamente com a luminosidade dos raios X e a profundidade óptica de Thomson, são utilizadas para reduzir as quantidades coronais a uma família de um único parâmetro. Essa abordagem é vital para tornar o problema tratável, permitindo que as propriedades físicas da coroa sejam inferidas a partir de observações multi-mensageiro. Ao correlacionar a emissão de neutrinos com a emissão eletromagnética, podemos obter uma visão mais precisa das condições físicas prevalecentes na coroa, como a densidade de partículas e a intensidade do campo magnético, que são cruciais para a eficiência da reconexão magnética e a aceleração de prótons. Essa metodologia garante que o modelo permaneça ancorado em dados empíricos, aumentando a robustez das conclusões.

Dentro dessa família de parâmetros, uma descoberta notável é que a magnetização de prótons ($σ_p$), definida como a razão entre a densidade de energia magnética e a densidade de energia de massa dos prótons ($B^2/(4πn_p m_p c^2)$), é consistentemente transrelativística, com valores de $σ_p \sim 0, 3$. Este regime transrelativístico é de particular interesse, pois indica que a energia magnética é comparável à energia de massa dos prótons, criando condições favoráveis para processos de aceleração eficientes. Em ambientes onde a magnetização é alta, a reconexão magnética pode ser extremamente potente, liberando grandes quantidades de energia que podem ser transferidas para as partículas. A identificação desse regime transrelativístico é um pilar central da nossa hipótese, sugerindo que a energia magnética disponível é suficiente para impulsionar a aceleração de prótons a energias elevadas, superando as perdas energéticas e permitindo a produção de neutrinos de alta energia.

Neste regime transrelativístico, demonstramos que encontros repetidos com folhas de corrente de reconexão intermitente são capazes de energizar prótons supratérmicos. Esses prótons podem atingir energias de dezenas de PeV antes que o resfriamento por fotomésons se torne o fator limitante para uma aceleração adicional. O processo de reconexão intermitente envolve a formação e dissipação rápida de estruturas de corrente, que atuam como sítios de aceleração. Cada encontro com uma folha de corrente reconectada fornece um impulso energético aos prótons, acumulando energia ao longo do tempo. No entanto, à medida que os prótons atingem energias muito altas, as interações com os fótons da coroa (principalmente raios X) levam à produção de píons via reações fotomesônicas, resultando em perdas de energia significativas. Esse mecanismo de resfriamento estabelece um limite superior para a energia que os prótons podem adquirir, mas ainda permite que atinjam energias suficientes para a produção de neutrinos de alta energia observados.

Após serem injetadas com energias elevadas através da reconexão magnética, essas partículas supratérmicas podem ser subsequentemente processadas por interações estocásticas com a cascata turbulenta presente na coroa. A turbulência, além de gerar as folhas de corrente, também cria flutuações de campo magnético e elétrico que podem continuar a acelerar as partículas de forma difusiva. Este processo de aceleração estocástica, ou de segunda ordem, atua como um mecanismo complementar, refinando o espectro de energia dos prótons e potencialmente elevando ainda mais suas energias, embora de forma mais gradual. A combinação da aceleração primária por reconexão e a aceleração secundária por turbulência oferece um cenário robusto para explicar a origem dos prótons de alta energia em coroas de AGN, que, ao interagirem com o material circundante, produzem os neutrinos de alta energia detectados por observatórios como o IceCube, consolidando a reconexão magnética como um mecanismo viável para a emissão de neutrinos em AGNs.