Parece haver muitos raios gama vindos do sol. Novas medições de energia mais alta revelam que esse excesso continua por um tempo e depois desaparece – um corte que pode ajudar a esclarecer o que está acontecendo.
Em 2019, os pesquisadores anunciaram que algo parecia estar errado com o sol. Após 10 anos de observações, eles concluíram que a radiação de alta energia do sol era sete vezes mais abundante do que o esperado.
Agora, um novo estudo baseado em dados de energia ainda mais alta aguçou a imagem. Os pesquisadores descobriram que o excesso de raios gama solares persiste em energias mais altas. Em seguida, cai nas energias mais exploradas. Ninguém pode explicar totalmente o que está acontecendo. “Tem sido um quebra-cabeça divertido após o outro”, disse Annika Peter, astrofísica da Ohio State University e coautora da análise mais recente.
No artigo recente, que foi postado no servidor de pré-impressão arxiv.org e está sob revisão na Physical Review Letters, pesquisadores do Observatório de raios gama de água de alta altitude Cherenkov (HAWC) e colaboradores relatam a abundância de radiação gama que persiste em uma faixa que é duas a 10 vezes mais energética do que qualquer raio gama solar medido anteriormente.
Uma explicação teórica completa para a abundância de raios gama no sol permanece nebulosa, mas os novos resultados fornecem pistas úteis para o desenvolvimento de uma explicação. Em particular, a descoberta de uma “energia de corte” na qual o sol deixa de irradiar raios gama pode ajudar a revelar o complexo papel dos campos magnéticos solares.
Essas interações são “fundamentalmente importantes”, disse Hugh Hudson, astrônomo da Universidade de Glasgow. “Os dados do HAWC são reconhecidos como o melhor recurso aqui.”
Uma das principais hipóteses que explicam os excessos na radiação gama do sol começa com os raios cósmicos. Essas partículas de alta energia, geralmente prótons, são lançadas por supernovas, colisões de buracos negros e outros eventos extremos no universo. À medida que os raios cósmicos se aproximam do nosso sol, seus poderosos campos magnéticos capturam as partículas e as redirecionam para fora, para longe do sol. Os raios cósmicos então colidem com prótons na atmosfera do sol para produzir partículas instáveis chamadas píons. À medida que os píons decaem, eles criam raios gama.
Mas apenas alguns desses raios gama escapam do sol e chegam aos nossos detectores. “Existe uma espécie de história ‘exatamente’ para os raios gama”, disse Peter. “Você precisa que o raio cósmico se aprofunde o suficiente na atmosfera do sol para que tenha uma boa chance de interagir. Mas tem que ser no ponto onde o raio gama pode então sair” sem interagir com outras partículas intermediárias.
Os raios cósmicos naquele ponto ideal, acreditam os pesquisadores, foram “espelhados” pelas linhas do campo magnético do sol. Um raio cósmico entra e encontra linhas de campo magnético que o redirecionam. Ao sair, colide com um próton, produzindo um raio gama.
Uma maneira de testar essa teoria é medindo como o sinal de raios gama muda ao longo do tempo. No estudo de 2019, os pesquisadores identificaram uma correlação entre o sinal mais forte e o mínimo solar, a fase do ciclo de 11 anos do sol quando sua teia emaranhada de linhas de campo magnético é mais fraca. Esta correlação parece apoiar a teoria. Se os raios cósmicos recebidos não forem desviados por esses campos magnéticos estendidos, que podem chegar longe no sistema solar, eles podem chegar muito perto do sol, onde fortes campos magnéticos giram as partículas no último momento.
No entanto, a atração magnética do sol é tão forte que, se um raio cósmico extremamente energético atingir a vizinhança do sol, ele poderia atravessar os campos sem colisões de partículas.
“Em algum momento, você pensaria que os raios cósmicos são de alta energia para serem afetados pelo campo magnético”, disse Mehr Un Nisa, astrofísico da Michigan State University que faz parte da colaboração HAWC. Os pesquisadores veriam isso como um corte nos dados: acima de uma certa energia, os raios gama efetivamente desapareceriam. As características de qualquer um desses cortes podem fornecer pistas sobre como entender melhor o excesso de raios gama.
Em busca de um corte de alta energia, Nisa, Peter e seus colaboradores se voltaram para o experimento HAWC, um observatório terrestre perto de Puebla, no México, que foi concluído em 2015. O observatório conta com centenas de 7,3 metros de largura tanques cheios de água acampados na base de um vulcão, cobrindo uma área do tamanho de quatro campos de futebol. À medida que os raios gama atravessam a atmosfera da Terra, eles criam partículas secundárias que atingem a água nos tanques do HAWC, emitindo o equivalente eletromagnético de um estrondo sônico. O HAWC conta com a chamada radiação Cherenkov para reconstruir os raios gama recebidos.
Usando o HAWC, os cientistas conseguiram sondar raios gama que eram 10 vezes mais energéticos do que os do estudo de 2019, baseado em dados do Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi. Como nas descobertas anteriores, a intensidade do sinal foi maior no mínimo solar. E, como esperado, a intensidade do sinal caiu abruptamente com o aumento das energias – indicando um efeito de corte. O resultado fornece uma importante escala de energia que ajuda os pesquisadores a modelar a radiação de raios gama do sol, disse Peter.
Por que o corte ocorre na energia que ocorre, Nisa e seus colegas não sabem dizer. Eles também não podem explicar por que o sinal inesperadamente abundante persiste nessas altas energias. “Atualmente, não existem modelos que possam explicar [isso]”, disse Elena Orlando, física da Universidade de Trieste, na Itália, que não faz parte da colaboração do HAWC. O sinal permanece tão misterioso como sempre.
E o HAWC não investiga talvez o aspecto mais intrigante dos dados anteriores: uma misteriosa queda estreita no sinal de raios gama em frequências de 1 trilhão de trilhão de hertz.
Peter e seus colegas estão trabalhando no problema, desenvolvendo simulações elaboradas dos campos magnéticos do sol e a intrincada dinâmica das partículas cósmicas girando ao seu redor.
Além de resolver o mistério dos raios gama, os pesquisadores acreditam que as medições do HAWC podem levar a uma compreensão mais ampla da física solar e de partículas. As partículas de alta energia que penetram profundamente na atmosfera do sol podem ajudar os cientistas a sondar uma região inexplorada do sol. O HAWC é exclusivamente sensível a essas partículas de alta energia, pois o observatório pode medir raios gama de energias ainda mais altas do que aquelas criadas no Grande Colisor de Hádrons. “Isso nos dá um novo laboratório para estudar a nova física lá fora”, disse Nisa.
Publicado em 01/03/2023 15h23
Artigo original:
- https://www.quantamagazine.org/strange-solar-gamma-rays-discovered-at-even-higher-energies-20230227/
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