Um raio cósmico extremamente poderoso atingiu a Terra: não sabemos de onde veio

Um raio cósmico que atingiu a atmosfera da Terra deixou os astrofísicos absolutamente pasmos.

A minúscula partícula carregava mais de 240 exa-elétron-volts de energia, ou 2,4 x 10 ²⁰ elétron-volts – perdendo apenas para a famosa e alucinante partícula Oh-My-God detectada em 1991, com seus 320 exa-elétrons volts.

Mas aqui está o porém. Assim como a partícula Oh-My-God, os cientistas não conseguiram rastrear a nova partícula até uma fonte óbvia.

“As partículas têm uma energia tão alta que não deveriam ser afetadas por campos magnéticos galácticos e extragalácticos. Você deveria ser capaz de apontar de onde elas vêm no céu”, diz o físico John Matthews, da Universidade de Utah e membro da colaboração Telescope Array que fez a descoberta.

“Mas no caso da partícula Oh-My-God e desta nova partícula, você traça sua trajetória até sua fonte e não há nada com energia alta o suficiente para produzi-la. Esse é o mistério disso – o que diabos está acontecendo?”

Os raios cósmicos são um enigma cósmico. Há mais de um século que conseguimos detectá-los, mas ainda não temos uma ideia clara de todas as diferentes formas como podem ser propagados pelo Universo.

Na verdade, não são radiação, como a luz; são partículas, principalmente núcleos atômicos, mas também subpartículas, como prótons e elétrons. E eles fluem pelo Universo próximo à velocidade da luz, com mais potência do que deveriam.

Os cientistas pensam que são produzidos em circunstâncias energéticas, como supernovas e colisões estelares. Fontes menos energéticas, como as estrelas (incluindo o Sol), produzem raios cósmicos de menor energia, mas os mais poderosos estão a revelar-se um pouco mais difíceis de definir.

Nossa atmosfera nos protege dos raios cósmicos, o que é realmente ótimo, mas ainda temos algumas maneiras bastante eficazes de detectá-los.

Quando um raio cósmico atinge a atmosfera, ele colide com outras partículas nela contidas, produzindo uma chuva de partículas que cai na Terra. Temos observatórios que podem detectar essas partículas, ligando-as à colisão de raios cósmicos que as produziu.

No entanto, as chuvas produzidas por raios cósmicos energéticos caem sobre uma área relativamente grande, o que significa que precisamos cobrir uma grande área de terreno se quisermos reconstruir o evento da partícula com alguma precisão.

O Telescope Array, administrado por uma colaboração internacional, tem uma área de detecção efetiva de 700 quilômetros quadrados (270 milhas quadradas).

Em 27 de maio de 2021, a matriz captou um sinal. Depois de realizar cálculos e análises, e verificar e reverificar, a colaboração do Telescope Array concluiu que havia encontrado uma partícula na escala de energia da partícula Oh-My-God.

“Quando descobri este raio cósmico de ultra-alta energia”, diz o físico Toshihiro Fujii, da Universidade Metropolitana de Osaka, que liderou a investigação, “pensei que devia ter havido um erro, pois mostrou um nível de energia sem precedentes nos últimos três décadas.”

A descoberta, feita através de uma técnica diferente daquela que revelou a partícula Oh-My-God, e numa parte diferente do céu, sugere que, embora raras, estas observações representam eventos astrofísicos reais. A detecção do Oh-My-God não foi um acaso, nem um erro.

A equipe de pesquisa chamou a nova partícula de Amaterasu, em homenagem à poderosa deusa xintoísta do Sol. Ambos, dizem os pesquisadores, são provavelmente prótons.

E, bem, a confirmação dos raios cósmicos de energia ultra-alta significa que agora temos um pouco de apuros nas mãos. Veja, partículas de energia ultra-alta têm um corte distinto, uma energia conhecida como limite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin, que fica em 5 x 10 ¹⁹ elétron-volts.

Acredita-se que esta seja a energia máxima que uma partícula pode manter em longas distâncias de cerca de 160 milhões de anos-luz, uma vez que os raios cósmicos perdem energia à medida que viajam pelo espaço.

Há coisas a essa distância de nós que poderiam produzir raios cósmicos, obviamente, mas nada nem perto de ser poderoso o suficiente para produzir Oh-My-Godou Amaterasu foi detectado num raio de 160 milhões de anos-luz do Sistema Solar.

“Coisas que as pessoas consideram energéticas, como as supernovas, não têm energia suficiente para isso”, diz Matthews. “Você precisa de enormes quantidades de energia, campos magnéticos realmente elevados para confinar a partícula enquanto ela é acelerada”.

E traçar a linha que Amaterasu parece ter percorrido através do espaço leva de volta a um vazio cósmico – uma região do espaço entre os filamentos na qual as galáxias tendem a aglomerar-se, com relativamente pouca coisa dentro. Isso significa que há algo que está faltando de alguma forma.

Talvez os campos magnéticos sejam melhores na aceleração de partículas do que pensávamos. Talvez haja uma fonte próxima que não vimos. Ou talvez as partículas estejam nos apontando para um fenômeno astrofísico nunca antes visto.

“Podem ser defeitos na estrutura do espaço-tempo, colisões de cordas cósmicas”, diz o físico John Belz, da Universidade de Utah.

“Quero dizer, estou apenas descartando ideias malucas que as pessoas estão apresentando porque não há uma explicação convencional. É um verdadeiro mistério.”

A pesquisa foi publicada na Science.

Publicado no ScienceAlert