Novo observatório leva pesquisa das partículas de mais alta energia a novas alturas

0
2201
115 dos 300 tanques na matriz do HAWC. O HAWC está a uma altitude de 4.100 metros sobre os flancos do vulcão Sierra Negra perto de Puebla, no México. Crédito: Benemérita Universidade Autônoma de Puebla

Artigo traduzido de Space.com. Autor: Nola Taylor Red.

Um novo observatório no alto das montanhas do México é a combinação de altas altitudes e tanques de água extra-pura para tentar resolver uma das maiores perguntas não respondidas em toda a física.

O observatório, chamado de High Altitude Water Cherenkov (HAWC), começou a estudar os fótons de maior energia já descobertos. A origem dessas partículas poderosas – chamadas raios gama teraelectronvolt (TeV) – permanece um mistério, mas os cientistas que trabalham com o HAWC esperam resolver esse quebra-cabeça.

“Nós não somos como os observatórios típicos de raios-X ou luz visível”, disse Petra Huentemeyer, uma pesquisadora da Universidade Tecnológica de Michigan. Huentemeyer apresentou os primeiros resultados do observatório em uma entrevista coletiva em abril na reunião da Sociedade Americana de Física. “Precisamos detectar os raios gama de maior de energia que não nos alcançam na Terra”, disse ela.

Para isso, o telescópio HAWC conta com enormes tanques de água extra-pura para capturar seus dados.

Altitudes elevadas para partículas de alta energia

Prótons, elétrons, neutrinos e raios gama todos compõem uma classe de partículas conhecidas como raios cósmicos, que bombardeiam constantemente a atmosfera da Terra. Destes, apenas os neutrinos e raios gama viajam em linhas retas, permitindo aos cientistas determinar mais facilmente as fontes dessas partículas.

O mais enérgico entre estes – os raios gama TeV – têm energias mais ou menos equivalentes a energia de uma bola de tênis em pleno vôo. Essas energias são cerca de 20 vezes maiores do que os das partículas de mais alta energia produzidas na Terra pelo CERN no Grande Colisor de Hádrons, fazendo dos raios cósmicos um fenômeno único que não foi reproduzido pelas máquinas na Terra.

Para alcançar suas altas energias, raios gama TeV devem ser acelerados a velocidades extremas. Os cientistas preveem que buracos negros e intensos campos gravitacionais e eletromagnéticos elevam os raios cósmicos para suas velocidades rápidas, mas eles ainda têm de confirmar isso. Em 2002, a questão de como os raios cósmicos são acelerados foi identificado pelo Comitê do Conselho Nacional de Pesquisa em Física do Universo como uma das “11 maiores questões não respondidas da Física.”

Quando os raios-gama de alta energia atingem a atmosfera da Terra, eles produzem uma chuva de milhões de partículas que caem na Terra até que se esgotem de energia ou que batam no chão. Apenas as partículas de maior energia alcançam o nível do mar, tornando-os um desafio de estudar em baixas altitudes.

Construído a 13.500 pés (4.100 metros) acima do nível do mar, o HAWC visa eliminar uma dificuldade estudando as partículas no alto da atmosfera. Quando totalmente concluído, o observatório será composto de 300 tanques de água extra-pura conhecidas como detectores de Cherenkov. Com 16 pés (5 m) de altura e 24 pés (7 m) de diâmetro, cada tanque enorme contém quatro sensores de luz altamente sensíveis fixos no fundo.

Tanques enormes de água extra-pura com 16 pés (4,9 metros) de altura e 24 pés (7,3 m) de diâmetro coletam informações sobre os raios gama de alta energia que colidem com eles. Crédito: HAWC.
Tanques enormes de água extra-pura com 16 pés (4,9 metros) de altura e 24 pés (7,3 m) de diâmetro coletam informações sobre os raios gama de alta energia que colidem com eles.
Crédito: HAWC.

Como as partículas chovem a partir da atmosfera, os cientistas podem reconstruir a direção e a energia dos raios gama originais que atingiram o detector, para resolver o mistério de sua aceleração.

Detectar novas fontes de energia

Uma das vantagens do HAWC é a sua capacidade para estudar os raios gama que chegam em praticamente qualquer direção. Seu amplo campo de visão significa que ele pode observar grandes áreas do céu do hemisfério norte de uma só vez, e não é limitado pelo tempo ou a hora do dia. Os raios cósmicos continuam a bombardear a atmosfera dia e noite, chova ou faça sol, e o observatório monitora essas interações, sem ser impedido.

“Ele pode descobrir coisas que outros experimentos não podem porque ele não precisa apontar para uma fonte específica”, disse o investigador principal do HAWC Jordan Goodman, da Universidade de Maryland.

O HAWC também funciona bem com os telescópios espaciais, como o Fermi Gamma-ray Space Telescope, que estuda fontes de raios gama a partir do espaço.

“O HAWC terá sensibilidade comparável ao Fermi para fontes galácticas com espectro difícil, mas em 100 a 1.000 vezes a energia”, disse Goodman ao Space.com via e-mail. “Se o Fermi vê um objeto deslumbrante, HAWC pode acompanhar nas energias mais elevadas”.

A gama completa de detectores está prevista para estar conectada até o final do ano. No entanto, com apenas um terço de seus detectores operacionais durante três meses, o observatório já fez observações intrigantes. O instrumento final irá ter entre 10 e 15 vezes mais sensibilidade do que os detectores de raios gama de alta energia existentes, disse Goodman.

“Nós já vimos algumas fontes que não foram vistas antes”, disse Huentemeyer.

Na visão do HAWC do céu em altos níveis de energia, o plano galáctico domina como a característica mais brilhante. Em seus primeiros meses, o HAWC avistou três regiões de energia excessiva cuja origem permanece um mistério. Uma possível interpretação dos dados de alta energia é que eles são causados por regiões onde as partículas de matéria escura colidem e aniquilam com outras, produzindo raios gama energéticos no processo. Outras possíveis causas incluem turbulência no campo magnético galáctico ou o decaimento de partículas exóticas.

Mapeando o céu com apenas um terço de seus detectores, o HAWC já capturou três regiões de energia em excesso, mostradas em vermelho. Crédito: Daniel Fiorino, Colaboração UW-Madison/HAWC
Mapeando o céu com apenas um terço de seus detectores, o HAWC já capturou três regiões de energia em excesso, mostradas em vermelho.
Crédito: Daniel Fiorino, Colaboração UW-Madison/HAWC

À medida que mais detectores comecem a operar, não só vai tornar mais eventos detectáveis, mas as informações sobre os eventos individuais vão melhorar.

“Nós vamos ser capazes de reconstruir melhor o espectro de energia da emissão, e dizer com mais certeza qual é a natureza desses raios cósmicos”, disse Huentemeyer ao Space.com por e-mail. “Será emocionante ver se as regiões adicionais de excesso e mais estrutura podem ser reveladas com mais dados do detector completo”.

CONTINUAR LENDO