doi.org/10.1126/science.abo5095
Credibilidade: 989
#Raios Cósmicos
Em 1991, o experimento Fly’s Eye da Universidade de Utah detectou o raio cósmico de maior energia já observado. Mais tarde apelidada de partícula Oh-My-God, a energia do raio cósmico chocou os astrofísicos. Nada na nossa galáxia tinha o poder de produzi-lo, e a partícula tinha mais energia do que era teoricamente possível para os raios cósmicos que viajavam para a Terra vindos de outras galáxias. Simplificando, a partícula não deveria existir.
Desde então, o Telescope Array observou mais de 30 raios cósmicos de energia ultra-alta, embora nenhum se aproximasse da energia do nível Oh-Meu-Deus. Nenhuma observação revelou ainda sua origem ou como eles conseguem viajar para a Terra.
Em 27 de maio de 2021, o experimento Telescope Array detectou o segundo maior raio cósmico de energia extrema. A 2,4 x 1020eV, a energia desta única partícula subatômica é equivalente a deixar cair um tijolo no dedo do pé, na altura da cintura. Liderado pela Universidade de Utah (U) e pela Universidade de Tóquio, o experimento usou o Telescope Array, que consiste em 507 estações detectoras de superfície dispostas em uma grade quadrada que cobre 700 km2 (?270 milhas2) fora de Delta, Utah, no Deserto Ocidental do estado.
O evento acionou 23 detectores na região noroeste do Telescope Array, espalhando-se por 48 km2. A direção de sua chegada parecia ser do Vazio Local, uma área vazia do espaço que faz fronteira com a Via Láctea.
“As partículas têm uma energia tão alta que não deveriam ser afetadas por campos magnéticos galácticos e extra-galácticos. Você deveria ser capaz de apontar de onde elas vêm no céu”, disse John Matthews, co-porta-voz do Telescope Array no o U e coautor do estudo. “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 – o que diabos está acontecendo?”
Na sua observação publicada na revista Science, uma colaboração internacional de investigadores descreve o raio cósmico de ultra-alta energia, avalia as suas características e conclui que os fenómenos raros podem seguir-se à física de partículas desconhecida pela ciência.
Os pesquisadores a chamaram de partícula Amaterasu em homenagem à deusa do sol na mitologia japonesa. As partículas Oh-My-God e Amaterasu foram detectadas usando diferentes técnicas de observação, confirmando que, embora raros, estes eventos de energia ultra-elevada são reais.
“Esses eventos parecem vir de lugares completamente diferentes no céu. Não é como se houvesse uma fonte misteriosa”, disse John Belz, professor da U e co-autor do estudo. “Podem ser defeitos na estrutura do espaço-tempo, colisões de cordas cósmicas. Quer dizer, estou apenas cuspindo ideias malucas que as pessoas estão apresentando porque não há uma explicação convencional.”
Aceleradores de partículas naturais
Os raios cósmicos são ecos de eventos celestes violentos que despojaram a matéria até às suas estruturas subatómicas e a lançaram através do universo quase à velocidade da luz. Essencialmente, os raios cósmicos são partículas carregadas com uma ampla gama de energias que consistem em prótons positivos, elétrons negativos ou núcleos atômicos inteiros que viajam pelo espaço e chovem sobre a Terra quase constantemente.
Os raios cósmicos atingem a atmosfera superior da Terra e destroem o núcleo do gás oxigênio e nitrogênio, gerando muitas partículas secundárias. Estas percorrem uma curta distância na atmosfera e repetem o processo, formando uma chuva de bilhões de partículas secundárias que se espalham pela superfície. A área ocupada por este chuveiro secundário é enorme e exige que os detectores cubram uma área tão grande quanto o conjunto de telescópios. Os detectores de superfície utilizam um conjunto de instrumentação que fornece aos pesquisadores informações sobre cada raio cósmico; o tempo do sinal mostra sua trajetória e a quantidade de partículas carregadas que atingem cada detector revela a energia da partícula primária.
Como as partículas têm carga, sua trajetória de vôo se assemelha a uma bola em uma máquina de pinball enquanto ziguezagueiam contra os campos eletromagnéticos através da radiação cósmica de fundo. É quase impossível traçar a trajetória da maioria dos raios cósmicos, que se encontram na extremidade inferior a média do espectro de energia. Mesmo os raios cósmicos de alta energia são distorcidos pela radiação de fundo das micro-ondas. Partículas com energia Oh-My-God e Amaterasu explodem através do espaço intergaláctico relativamente inflexível. Somente o mais poderoso dos eventos celestes pode produzi-los.
“Coisas que as pessoas consideram energéticas, como as supernovas, não têm energia suficiente para isso. São necessárias enormes quantidades de energia, campos magnéticos realmente elevados para confinar a partícula enquanto ela é acelerada”, disse Matthews.
Os raios cósmicos de ultra-alta energia devem exceder 5 x 1019 eV. Isso significa que uma única partícula subatômica carrega a mesma energia cinética que a bola rápida de um arremessador da liga principal e tem dezenas de milhões de vezes mais energia do que qualquer acelerador de partículas feito pelo homem pode alcançar.
Os astrofísicos calcularam este limite teórico, conhecido como ponto de corte Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK), como a energia máxima que um próton pode manter viajando por longas distâncias antes que o efeito das interações da radiação de fundo de micro-ondas tome sua energia.
Candidatos a fontes conhecidas, como núcleos galácticos ativos ou buracos negros com discos de acreção que emitem jatos de partículas, tendem a estar a mais de 160 milhões de anos-luz de distância da Terra. Os 2,4 x 1020 eV da nova partícula e os 3,2 x 1020 eV da partícula Oh-My-God ultrapassam facilmente o corte.
Os pesquisadores também analisam a composição dos raios cósmicos em busca de pistas sobre suas origens. Uma partícula mais pesada, como os núcleos de ferro, é mais pesada, tem mais carga e é mais suscetível à flexão em um campo magnético do que uma partícula mais leve feita de prótons de um átomo de hidrogênio. A nova partícula é provavelmente um próton. A física de partículas determina que um raio cósmico com energia além do corte GZK é muito poderoso para que o fundo de micro-ondas distorça seu caminho, mas o retrocesso de sua trajetória aponta para o espaço vazio.
“Talvez os campos magnéticos sejam mais fortes do que pensávamos, mas isso discorda de outras observações que mostram que não são fortes o suficiente para produzir uma curvatura significativa nestas energias de 1020 electrões-volt,” disse Belz. “É um verdadeiro mistério.”
Expandindo a pegada
O Telescope Array está posicionado de forma única para detectar raios cósmicos de energia ultra-alta. Situa-se a cerca de 1.200 m (4.000 pés), o ponto ideal de elevação que permite o desenvolvimento máximo das partículas secundárias, mas antes que comecem a decair. A sua localização no deserto ocidental de Utah proporciona condições atmosféricas ideais de duas maneiras: o ar seco é crucial porque a humidade absorverá a luz ultravioleta necessária para a detecção; e os céus escuros da região são essenciais, pois a poluição luminosa criará demasiado ruído e obscurecerá os raios cósmicos.
Os astrofísicos ainda estão perplexos com os fenômenos misteriosos. O Telescope Array está no meio de uma expansão que eles esperam que ajude a resolver o caso. Depois de concluído, 500 novos detectores de cintiladores irão expandir o Telescope Array para coletar amostras de chuvas de partículas induzidas por raios cósmicos em 2.900 km2 (1.100 mi2), uma área quase do tamanho de Rhode Island. Esperamos que a pegada maior capture mais eventos que irão esclarecer o que está acontecendo.
Publicado em 10/12/2023 20h51
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