Os raios cósmicos de alta energia vêm de fora da nossa galáxia

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Por Davide Castelvecchi
Publicado na Nature

O Observatório Pierre Auger na Argentina finalmente tem evidências sólidas de que as partículas mais energéticas da natureza provêm de fontes externas à Via Láctea. Os cientistas já suspeitaram disso há décadas, mas não conseguiram confirmá-lo – até agora.

“Pela primeira vez, temos a prova de que os raios cósmicos de maior energia são de origem extragaláctica”, diz Alan Watson, um astrônomo do Reino Unido e cofundador do observatório. O resultado vem como um alívio para os pesquisadores, após reivindicações anteriores relativas à sua origem feitas há dez anos pelo observatório. A colaboração posteriormente tinha se  mostrado prematura.

A equipe internacional analisou 12 anos de dados e descobriu que as partículas na maior faixa de energia eram mais prováveis ​​de uma região do céu fora do disco da Via Láctea. Essa assimetria é aproximadamente consistente com a distribuição de galáxias vizinhas, informaram os pesquisadores na edição de 22 de setembro da Science.

O estudo não identifica as fontes individuais dos raios cósmicos, nem explica como eles atingem suas mais altas energias. Mas os pesquisadores esperam que seja um primeiro passo para entender suas origens.

Chuveiro invisível

A maioria dos raios cósmicos são prótons ou outras partículas carregadas, incluindo núcleos atômicos tão pesados ​​quanto o ferro. Quando tal partícula chega à atmosfera superior da Terra e colide com um núcleo atômico no ar, produz uma explosão de metralhadoras de partículas subatômicas. Estes atingem outros núcleos e produzem mais partículas, gerando um “chuveiro” invisível que é frequentemente espalhado por muitos quilômetros quadrados quando atinge o solo.

Para detectar esses chuveiros, o Observatório Pierre Auger tem 1.600 tanques de água de tamanho de carro colocados a intervalos de 1,5 km, para cobrir 3.000 quilômetros quadrados de planícies gramíneas na província argentina de Mendoza.

Quatro conjuntos de telescópios monitoram o céu sobre a disposição, e – nas noites sem lua – podem detectar flashes de luz ultravioleta gerados pelos chuveiros. A partir da sua localização relativamente próxima ao equador, a matriz pode pegar raios cósmicos provenientes de todo o céu do sul, bem como de grande parte do céu do norte, cobrindo 85% da esfera celestial.

Os raios cósmicos foram detectados usando 1.600 tanques de água colocados em intervalos de 1,5 km.

O observatório precisa ser tão grande para pegar o suficiente das partículas mais procuradas. Os raios cósmicos foram detectados com energias além de 10²⁰ electronvolts (eV); em comparação, o Large Hadron Collider perto de Genebra, na Suíça, o acelerador de partículas mais poderoso do mundo, empurra os prótons para apenas 7 × 10¹² eV. No entanto, os raios cósmicos tornam-se cada vez mais raros, quanto maiores forem suas energias. Uma partícula na faixa de 10²⁰ eV, em média, atinge um quilômetro quadrado da Terra apenas uma vez por século.

Os pesquisadores analisaram 32.187 partículas que tiveram energias acima de 8 × 10¹⁸ eV, detectadas pelo observatório desde o início até 2004, até 2016. O campo magnético da Galáxia dobra os caminhos das partículas carregadas, que podem aleatorizar sua direção quando atingiram a Terra. Mas essas partículas ainda eram 6% mais prováveis ​​do que a média para vir de uma determinada região do céu, que está fora do disco da Via Láctea.

Desvio de surpresa

A maioria dos pesquisadores esperava uma inclinação, mas não tão forte, diz Piera Ghia, física de astropartículas do Instituto de Física Nuclear do CNRS em Orsay, França, que ajudou a coordenar a análise de dados. O astrofísico Francis Halzen da Universidade de Wisconsin-Madison concorda. “É realmente muito grande. Para mim, foi uma surpresa”, diz Halzen, que é porta-voz do IceCube, um importante observatório de neutrinos no pólo sul.

Quando a deflexão magnética é levada em consideração, a assimetria observada pelo Observatório Pierre Auger é consistente com a distribuição de galáxias de 90 megaprosecs (cerca de 300 milhões de anos-luz) ou então da Via Láctea, diz Silvia Mollerach, um astrofísico Auger no Instituto Balseiro em San Carlos de Bariloche, Argentina.

Os resultados desfez fortemente o buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea como uma das principais fontes de partículas de alta energia. “As fontes mais prováveis ​​continuam a ser os suspeitos habituais”, diz Mollerach: fenômenos astrofísicos que geram campos magnéticos extremamente intensos, dentro dos quais as partículas carregadas podem fazer pinball e ganhar energia. Estes incluem núcleos galácticos ativos – buracos negros supermassivos que vomitam jatos de matéria a uma velocidade próxima da luz – e as explosões estelares chamadas explosões de raios y.

A última afirmação é bastante conservadora em comparação com uma que a colaboração feita em 2007. Naquela época, encontrou uma correlação entre 27 raios cósmicos de alta energia (acima de 57 × 10¹⁸ eV) que tinha visto até esse ponto e um conjunto de conhecidos núcleos galácticos ativos. O papel causou uma sensação, mas a significância estatística do resultado foi fraca e logo derretida à medida que a matriz coletou mais dados. “Em retrospectiva, foi um erro que publicamos muito cedo”, diz o porta-voz Auger, Karl-Heinz Kampert, físico da Universidade de Wuppertal na Alemanha.

Desta vez, a equipe não teve chances: acumulou muito mais dados e confia em que os resultados são sólidos, diz Kampert. Halzen concorda. “Eu não acho que haja dúvidas sobre a significância estatística” dos últimos resultados, diz ele.

Agora que os pesquisadores têm mais dados, eles tentarão novamente encontrar correlações com fontes potenciais. Os resultados desse estudo devem aparecer em poucos meses. A colaboração também planeja unir forças com um observatório menor em Utah, o Telescope Array, para tentar mapear as origens dos raios cósmicos em todo o céu.

O Observatório Pierre Auger também está nos estágios iniciais de uma atualização de US $ 12 milhões que deve permitir medir melhor a abundância relativa de prótons e núcleos mais pesados ​​no fluxo de raios cósmicos.

Referência:

  • Pierre Auger et al. Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 × 1018 eV.Science 22 Sep 2017:Vol. 357, Issue 6357, pp. 1266-1270 DOI:10.1126/science.aan4338
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