Desvendando um mistério centenário: de onde vêm os raios cósmicos da Via Láctea

Supernova de Kepler

Astrônomos conseguiram pela primeira vez quantificar os componentes de prótons e elétrons dos raios cósmicos em um remanescente de supernova. Pelo menos 70% dos raios gama de altíssima energia emitidos pelos raios cósmicos são devidos a prótons relativísticos, de acordo com a nova análise de imagens de radiação de rádio, raios X e raios gama. O local de aceleração dos prótons, os principais componentes dos raios cósmicos, tem sido um mistério de 100 anos na astrofísica moderna, esta é a primeira vez que a quantidade de raios cósmicos sendo produzidos em um remanescente de supernova foi quantitativamente mostrada e é uma época. dando passos na elucidação da origem dos raios cósmicos.

A origem dos raios cósmicos, as partículas com a maior energia do universo, tem sido um grande mistério desde sua descoberta em 1912. Como os raios cósmicos promovem a evolução química da matéria interestelar, entender sua origem é fundamental para compreender a evolução de nossa galáxia. Acredita-se que os raios cósmicos sejam acelerados por remanescentes de supernovas (os efeitos colaterais das explosões de supernovas) em nossa galáxia e viajaram para a Terra quase à velocidade da luz. O progresso recente nas observações de raios gama revelou que muitos remanescentes de supernovas emitem raios gama em energias teraeletronvolts (TeV). Se os raios gama são produzidos por prótons, que são o principal componente dos raios cósmicos, então a origem remanescente da supernova dos raios cósmicos pode ser verificada. No entanto, os raios gama também são produzidos por elétrons, é necessário determinar se a origem do próton ou elétron é dominante e medir a razão das duas contribuições (veja também a Figura 1). Os resultados deste estudo fornecem evidências convincentes de raios gama originados do componente de prótons, que é o principal componente dos raios cósmicos, e esclarecem que os raios cósmicos galácticos são produzidos por remanescentes de supernovas.

Figura 1. Imagens esquemáticas da produção de raios gama a partir de prótons e elétrons de raios cósmicos. Os prótons de raios cósmicos interagem com os prótons interestelares, como o hidrogênio gasoso molecular e atômico. A interação cria um píon neutro que rapidamente decai em dois fótons de raios gama (processo hadrônico). Elétrons de raios cósmicos energizam fótons interestelares (principalmente Cosmic Microwave Background; CMB) em energia de raios gama via espalhamento Compton inverso (processo leptônico). Crédito: Laboratório de Astrofísica, Universidade de Nagoya

A originalidade desta pesquisa é que a radiação de raios gama é representada por uma combinação linear de componentes de prótons e elétrons. Os astrônomos conheciam a relação de que a intensidade dos raios gama dos prótons é proporcional à densidade do gás interestelar obtida por observações de imagens em linha de rádio. Por outro lado, os raios gama dos elétrons também devem ser proporcionais à intensidade dos raios X dos elétrons. Portanto, eles expressaram a intensidade total dos raios gama como a soma de dois componentes dos raios gama, um da origem do próton e outro da origem do elétron. Isso levou a um entendimento unificado de três observáveis independentes (Figura 2). Este método foi proposto pela primeira vez neste estudo. Como resultado, foi mostrado que os raios gama dos prótons e elétrons respondem por 70% e 30% do total dos raios gama, respectivamente. É a primeira vez que as duas origens são quantificadas. Os resultados também demonstram que os raios gama dos prótons são dominados em regiões interestelares ricas em gás, enquanto os raios gama dos elétrons são intensificados nas regiões pobres em gás. Isso confirma que os dois mecanismos trabalham juntos e apoiam as previsões de estudos teóricos anteriores.

Figura 2. Mapas de intensidade de raios gama Ng, densidade de gás interestelar Np e intensidade de raios X Nx. Crédito: Laboratório de Astrofísica, Universidade de Nagoya

“Este novo método não poderia ter sido realizado sem a colaboração internacional”, disse o professor emérito Yasuo Fukui da Universidade de Nagoya. Ele liderou este projeto e quantificou com precisão a distribuição da densidade do gás interestelar usando o radiotelescópio NANTEN e o Australia Telescope Compact Array desde 2003. Embora a resolução de raios gama fosse insuficiente para realizar uma análise completa na época, o professor Gavin Rowell e a Dra. Sabrina Einecke, da a Universidade de Adelaide e o HESS A equipe melhorou drasticamente a resolução espacial e a sensibilidade dos raios gama ao longo dos anos, tornando possível compará-los precisamente com o gás interestelar. O Dr. Hidetoshi Sano, do Observatório Astronômico Nacional do Japão, liderou a análise de imagens de raios-X de conjuntos de dados de arquivos do satélite europeu de raios-X XMM-Newton. O Dr. Einecke e o Prof. Rowell trabalharam em estreita colaboração com o Prof. Fukui e o Dr. Sano na realização de estudos detalhados que examinaram as correlações entre os raios gama, raios X e emissão de rádio. “Este novo método será aplicado a mais supernovas remanescentes usando o telescópio de raios gama CTA de próxima geração (Cherenkov Telescope Array), além dos observatórios existentes, o que irá avançar muito no estudo da origem dos raios cósmicos.”

Figura 3. Ajuste tridimensional de um plano plano expresso por uma equação de Ng = a Np + b Nx, onde aeb são constantes. Os pontos de dados são coloridos pelo código na figura de acordo com Ng e são mostrados por símbolos preenchidos e abertos para aqueles acima e abaixo do plano. O azul, verde, amarelo e vermelho representam Ng é menor que 1,2 contagens arcmin – 2, 1,2-1,7 contagens arcmin – 2, 1,7-2,2 contagens arcmin – 2 e maior que 2,2 contagens arcmin – 2, respectivamente. As linhas tracejadas em azul, verde, laranja, vermelho e roxo no plano de melhor ajuste indicam 1,0, 1,5, 2,0, 2,5 e 3,0 contagens de arcmin – 2, respectivamente. Crédito: Laboratório de Astrofísica, Universidade de Nagoya

Publicado em 25/08/2021 09h19

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