Os raios cósmicos de ultra-alta energia se retorcem e se voltam para a Terra, o que tornou quase impossível identificar os monstros colossais que os criaram.
Na década de 1930, o físico francês Pierre Auger colocou contadores Geiger ao longo de uma crista nos Alpes e observou que eles às vezes clicavam espontaneamente ao mesmo tempo, mesmo quando estavam separados por até 300 metros. Ele sabia que os cliques coincidentes vinham de raios cósmicos, partículas carregadas do espaço que se chocam com as moléculas de ar no céu, provocando chuvas de partículas que caem no solo. Mas Auger percebeu que para os raios cósmicos desencadearem o tipo de chuva enorme que ele estava vendo, eles devem transportar quantidades fantásticas de energia – tanta que, escreveu ele em 1939, “é realmente impossível imaginar um único processo capaz de dar a um partícula de tal energia.”
Ao construir matrizes maiores de contadores Geiger e outros tipos de detectores, os físicos aprenderam que os raios cósmicos atingem energias pelo menos 100.000 vezes mais altas do que Auger supôs.
Um raio cósmico é apenas um núcleo atômico – um próton ou um aglomerado de prótons e nêutrons. Ainda assim, os raros conhecidos como raios cósmicos de “energia ultra-alta” têm tanta energia quanto bolas de tênis servidas profissionalmente. Eles são milhões de vezes mais energéticos do que os prótons que voam ao redor do túnel circular do Grande Colisor de Hádrons na Europa a 99,99999991% da velocidade da luz. Na verdade, o raio cósmico mais energético já detectado, apelidado de “partícula Oh-Meu-Deus”, atingiu o céu em 1991 indo algo como 99,99999999999999999999999951% da velocidade da luz, dando-lhe aproximadamente a energia de uma bola de boliche lançada do ombro altura em um dedo do pé. “Você teria que construir um colisor tão grande quanto a órbita do planeta Mercúrio para acelerar prótons às energias que vemos”, disse Ralph Engel, astrofísico do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe na Alemanha e co-líder dos maiores observatório de raios cósmicos, o Observatório Pierre Auger na Argentina.
A questão é: o que há no espaço que está acelerando?
Acredita-se agora que as explosões de supernovas sejam capazes de produzir os raios cósmicos incrivelmente energéticos que Auger observou pela primeira vez há 82 anos. As supernovas não podem produzir as partículas muito mais surpreendentes que foram vistas desde então. As origens desses raios cósmicos de energia ultra-alta permanecem incertas. Mas uma série de avanços recentes estreitou significativamente a pesquisa.
Em 2017, o Observatório Auger anunciou uma grande descoberta. Com seus 1.600 detectores de partículas e 27 telescópios pontilhando um trecho da pradaria argentina do tamanho de Rhode Island, o observatório registrou as chuvas aéreas de centenas de milhares de raios cósmicos de ultra-alta energia nos 13 anos anteriores. A equipe relatou que 6% a mais dos raios vêm de uma metade do céu do que da outra – o primeiro padrão detectado definitivamente nas direções de chegada dos raios cósmicos.
Recentemente, três teóricos da Universidade de Nova York ofereceram uma explicação elegante para o desequilíbrio que os especialistas consideram altamente convincente. O novo artigo, de Chen Ding, Noémie Globus e Glennys Farrar, implica que os aceleradores de raios cósmicos ultrapoderosos são onipresentes, cosmicamente falando, ao invés de raros.
O Observatório Auger e o Telescope Array em Utah também detectaram “pontos quentes” de raios cósmicos menores e mais sutis no céu – presumivelmente a localização de fontes próximas. Certos objetos candidatos ficam nos locais certos.
Mais pistas chegaram na forma de neutrinos superenergéticos, que são produzidos por raios cósmicos de energia ultra-alta. Coletivamente, as recentes descobertas concentraram a busca pelos aceleradores ultrapoderosos do universo em três concorrentes principais. Agora, os teóricos estão ocupados modelando esses objetos astrofísicos para ver se eles são realmente capazes de lançar partículas rápido o suficiente em nossa direção e, em caso afirmativo, como.
Essas especulações são totalmente novas e irrestritas por quaisquer dados. “Se você vai para altas energias, as coisas são realmente inexploradas”, disse Engel. “Você realmente vai a algum lugar onde tudo está em branco.”
Um fino desequilíbrio
Para saber o que está produzindo os raios cósmicos de energia ultra-alta, o primeiro passo é ver de onde eles vêm. O problema é que, como as partículas são eletricamente carregadas, elas não viajam aqui em linha reta; seus caminhos se dobram à medida que passam pelos campos magnéticos.
Além disso, as partículas de energia ultra-alta são raras, atingindo cada quilômetro quadrado do céu da Terra apenas cerca de uma vez por ano. A identificação de qualquer padrão em suas direções de chegada requer a identificação de sutis desequilíbrios estatísticos de um enorme conjunto de dados.
Ninguém sabia quantos dados seriam necessários antes que os padrões surgissem. Os físicos passaram décadas construindo matrizes cada vez maiores de detectores sem ver nem mesmo uma sugestão de um padrão. Então, no início dos anos 1990, o astrofísico escocês Alan Watson e o físico americano Jim Cronin decidiram se tornar realmente grande. Eles embarcaram no que se tornaria o Observatório Auger de 3.000 quilômetros quadrados.
Finalmente, isso foi o suficiente. Quando a equipe Auger relatou na Science em 2017 que havia detectado um desequilíbrio de 6% entre as duas metades do céu – onde um excesso de partículas de uma direção específica no céu transitava suavemente para um déficit centrado na direção oposta – “isso foi fantasticamente excitante “, disse Watson. “Eu trabalho nesta área há muito, muito tempo” – desde os anos 1960 – “e esta é a primeira vez que tivemos uma anisotropia.”
Mas os dados também eram intrigantes. A direção do excesso de raios cósmicos estava longe do centro da galáxia da Via Láctea, apoiando a antiga hipótese de que os raios cósmicos de energia ultra-alta vêm de fora da galáxia. Mas não estava perto de nada. Não correspondia à localização de algum objeto astrofísico poderoso, como um buraco negro supermassivo em uma galáxia vizinha. Não era o aglomerado de Virgem, a densa concentração próxima de galáxias. Era apenas uma mancha escura e opaca perto da constelação de Canis Major.
Noémie Globus, então pós-doutoranda na Universidade Hebraica de Jerusalém, imediatamente viu uma maneira de explicar o padrão. Ela começou fazendo uma simplificação: cada pedacinho de matéria no universo tem a mesma probabilidade de produzir um pequeno número de raios cósmicos de energia ultra-alta. Ela então mapeou como esses raios cósmicos se dobrariam levemente conforme emanavam de galáxias próximas, grupos de galáxias e aglomerados – coletivamente conhecidos como a estrutura em grande escala do cosmos – e viajavam aqui através dos fracos campos magnéticos do espaço intergaláctico. Naturalmente, seu mapa falso era apenas uma imagem borrada da própria estrutura em grande escala, com a maior concentração de raios cósmicos vindos de Virgem.
Seu excesso de raios cósmicos não estava no lugar certo para explicar os dados de Auger, mas ela achava que sabia o porquê: porque não havia contabilizado adequadamente o campo magnético da Via Láctea. Em 2019, Globus mudou-se para a NYU para trabalhar com a astrofísica Glennys Farrar, cujo modelo de 2012 do campo magnético da Via Láctea, desenvolvido com seu então aluno Ronnie Jansson, continua sendo o estado da arte. Embora ninguém ainda entenda por que o campo magnético da galáxia tem a forma que tem, Farrar e Jansson inferiram sua geometria a partir de 40.000 medições de luz polarizada. Eles verificaram que as linhas do campo magnético formam um arco tanto no sentido horário quanto no anti-horário ao longo dos braços espirais da galáxia e emanam verticalmente do disco galáctico, girando à medida que sobem.
O aluno de pós-graduação de Farrar, Chen Ding, escreveu o código que refinou o mapa de Globus dos raios cósmicos de energia ultra-alta provenientes da estrutura de grande escala, depois passou essa entrada pelas lentes de distorção do campo magnético galáctico, conforme modelado por Farrar e Jansson. “E, vejam só, conseguimos essa concordância notável com as observações”, disse Farrar.
Os raios cósmicos originários de Virgem se curvam nas linhas de campo tortuosas da galáxia, de modo que nos atingem da direção de Canis Major, onde Auger vê o centro de seu excesso. Os pesquisadores analisaram como o padrão resultante mudaria para raios cósmicos de diferentes energias. Eles consistentemente encontraram uma correspondência próxima com diferentes subconjuntos de dados do Auger.
O “modelo contínuo” dos pesquisadores das origens dos raios cósmicos de energia ultra-alta é uma simplificação – cada pedaço de matéria não emite raios cósmicos de energia ultra-alta. Mas seu notável sucesso revela que as fontes reais dos raios são abundantes e se espalham uniformemente por toda a matéria, traçando a estrutura em grande escala. O estudo, que aparecerá no The Astrophysical Journal Letters, recebeu muitos elogios. “Este é realmente um passo fantástico”, disse Watson.
Imediatamente, certos estoques aumentaram: em particular, três tipos de objetos candidatos que passam pela agulha de serem relativamente comuns no cosmos, mas potencialmente especiais o suficiente para produzir partículas de Oh-Meu-Deus.
Icarus Stars
Em 2008, Farrar e um co-autor propuseram que cataclismos chamados eventos de interrupção das marés (TDEs) podem ser a fonte de raios cósmicos de energia ultra-alta.
Uma TDE ocorre quando uma estrela puxa um Ícaro e fica muito perto de um buraco negro supermassivo. A frente da estrela sente muito mais gravidade do que sua parte traseira que a estrela se rasga em pedacinhos e gira no abismo. O turbilhão dura cerca de um ano. Enquanto dura, dois jatos de material – os fragmentos subatômicos da estrela interrompida – disparam do buraco negro em direções opostas. Ondas de choque e campos magnéticos nesses feixes podem conspirar para acelerar os núcleos a energias ultra-altas antes de lançá-los no espaço.
Os eventos de interrupção das marés ocorrem aproximadamente uma vez a cada 100.000 anos em todas as galáxias, o que é o equivalente cosmológico de acontecer em todos os lugares o tempo todo. Uma vez que as galáxias rastreiam a distribuição de matéria, os TDEs podem explicar o sucesso do modelo contínuo de Ding, Globus e Farrar.
Além disso, o flash relativamente breve de um TDE resolve outros quebra-cabeças. No momento em que um raio cósmico TDE chega até nós, o TDE terá estado escuro por milhares de anos. Outros raios cósmicos da mesma TDE podem seguir caminhos tortos separados; alguns podem demorar séculos. A natureza transitória de uma TDE poderia explicar por que parece haver tão pouco padrão nas direções de chegada dos raios cósmicos, sem fortes correlações com as posições de objetos conhecidos. “Agora estou inclinado a acreditar que eles são transitórios, principalmente”, disse Farrar sobre as origens dos raios.
A hipótese da TDE ganhou outro impulso recentemente, a partir de uma observação relatada na Nature Astronomy em fevereiro.
Robert Stein, um dos autores do artigo, estava operando um telescópio na Califórnia chamado Zwicky Transient Factory em outubro de 2019 quando um alerta veio do observatório de neutrinos IceCube na Antártica. IceCube avistou um neutrino particularmente energético. Neutrinos de alta energia são produzidos quando raios cósmicos de energia ainda mais alta espalham luz ou matéria no ambiente onde foram criados. Felizmente, os neutrinos, sendo neutros, viajam até nós em linha reta, de modo que apontam diretamente de volta para a fonte de seu raio cósmico original.
Stein girou o telescópio na direção de chegada do neutrino do IceCube. “Nós vimos imediatamente que havia um evento de interrupção da maré na posição de onde o neutrino havia chegado”, disse ele.
A correspondência torna mais provável que os TDEs sejam pelo menos uma fonte de raios cósmicos de energia ultra-alta. No entanto, a energia do neutrino provavelmente era muito baixa para provar que os TDEs produzem os raios de mais alta energia. Alguns pesquisadores questionam fortemente se esses transientes podem acelerar os núcleos até o fim do espectro de energia observado; os teóricos ainda estão explorando como os eventos podem acelerar as partículas em primeiro lugar.
Enquanto isso, outros fatos atraíram a atenção de alguns pesquisadores para outro lugar.
Starburst Superwinds
Observatórios de raios cósmicos como Auger e o Telescope Array também encontraram alguns pontos quentes – pequenas e sutis concentrações nas direções de chegada dos raios cósmicos de mais alta energia. Em 2018, Auger publicou os resultados de uma comparação de seus pontos quentes com a localização de objetos astrofísicos dentro de algumas centenas de milhões de anos-luz daqui. (Os raios cósmicos de mais longe perderiam muita energia em colisões no meio da jornada.)
Na competição de correlação cruzada, nenhum tipo de objeto teve um desempenho excepcionalmente bem – compreensivelmente, dada a experiência de deflexão dos raios cósmicos. Mas a correlação mais forte surpreendeu muitos especialistas: cerca de 10% dos raios vinham de 13 graus das direções das chamadas “galáxias estelares”. “Eles não estavam no meu prato originalmente”, disse Michael Unger, do Karlsruhe Institute of Technology, um membro da equipe Auger.
Ninguém ficou mais empolgado do que Luis Anchordoqui, astrofísico do Lehman College da City University of New York, que propôs galáxias estelares como a origem dos raios cósmicos de energia ultra-alta em 1999. “Posso ser meio tendencioso nessas coisas porque eu foi quem propôs o modelo para o qual agora os dados apontam “, disse.
As galáxias Starburst fabricam constantemente muitas estrelas enormes. As estrelas massivas vivem rápido e morrem jovens em explosões de supernovas, e Anchordoqui argumenta que o “supervento” formado pelas ondas de choque coletivas de todas as supernovas é o que acelera os raios cósmicos às velocidades alucinantes que detectamos.
Nem todos têm certeza de que esse mecanismo funcionaria. “A questão é: quão rápidos são esses choques?” disse Frank Rieger, astrofísico da Universidade de Heidelberg. “Devo esperar que eles cheguem às energias mais elevadas? No momento, estou em dúvida. ”
Outros pesquisadores argumentam que os objetos dentro de galáxias estelares podem estar agindo como aceleradores de raios cósmicos, e que o estudo de correlação cruzada está simplesmente pegando uma abundância desses outros objetos. “Como uma pessoa que pensa em eventos transitórios como uma fonte natural, eles são muito enriquecidos em galáxias estelares, então não tenho problemas”, disse Farrar.
Galáxias Ativas
No estudo de correlação cruzada, outro tipo de objeto teve um desempenho quase, mas não tão bem quanto as galáxias estelares: objetos chamados de núcleos galácticos ativos, ou AGNs.
AGNs são os centros quentes de galáxias “ativas”, nas quais o plasma envolve o buraco negro supermassivo central. O buraco negro suga o plasma enquanto dispara jatos enormes e de longa duração.
Os membros de alta potência de um subconjunto especialmente brilhante denominado AGNs “ruidosos” são os objetos persistentes mais luminosos do universo, portanto, há muito tempo são os principais candidatos à fonte de raios cósmicos de energia ultra-alta.
No entanto, esses poderosos AGNs com alto volume de rádio são muito raros no cosmos para passar no teste de Ding, Globus e Farrar: eles não poderiam ser rastreadores para a estrutura em grande escala. Na verdade, em nossa vizinhança cósmica, quase não há. “Eles são boas fontes, mas não em nosso quintal”, disse Rieger.
AGNs menos potentes de rádio-alto são muito mais comuns e podem se assemelhar ao modelo contínuo. Centaurus A, por exemplo, o AGN com alto volume de rádio mais próximo, fica bem no ponto quente mais proeminente do Observatório Auger. (O mesmo acontece com uma galáxia estelar.)
Por muito tempo Rieger e outros especialistas lutaram seriamente para conseguir AGNs de baixa potência para acelerar os prótons a níveis de partículas de Oh-Meu-Deus. Mas uma descoberta recente os trouxe “de volta ao jogo”, disse ele.
Os astrofísicos sabem há muito tempo que cerca de 90% de todos os raios cósmicos são prótons (ou seja, núcleos de hidrogênio); outros 9% são núcleos de hélio. Os raios podem ser núcleos mais pesados, como oxigênio ou mesmo ferro, mas os especialistas há muito presumiam que eles seriam destruídos pelos violentos processos necessários para acelerar os raios cósmicos de energia ultra-alta.
Então, em descobertas surpreendentes no início de 2010, os cientistas do Observatório Auger inferiram a partir das formas das chuvas de ar que os raios de energia ultra-alta são principalmente núcleos de peso médio, como carbono, nitrogênio e silício. Esses núcleos atingirão a mesma energia que os prótons enquanto viajam em velocidades mais baixas. E isso, por sua vez, torna mais fácil imaginar como qualquer um dos aceleradores cósmicos candidatos poderia funcionar.
Por exemplo, Rieger identificou um mecanismo que permitiria que AGNs de baixa potência acelerassem os raios cósmicos mais pesados para energias ultra-altas: uma partícula poderia flutuar de um lado para o outro em um jato de AGN, sendo chutada cada vez que entra novamente na parte mais rápida do fluxo. “Nesse caso, eles descobrem que podem fazer isso com as fontes de rádio de baixa potência”, disse Rieger. “Isso seria muito mais no nosso quintal.”
Outro artigo explorou se os eventos de interrupção das marés produziriam naturalmente núcleos de peso médio. “A resposta é que isso poderia acontecer se as estrelas que foram interrompidas forem anãs brancas”, disse Cecilia Lunardini, astrofísica da Universidade do Estado do Arizona que é co-autora do artigo. “As anãs brancas têm esse tipo de composição – carbono, nitrogênio.” Claro, TDEs podem acontecer com qualquer “estrela infeliz”, disse Lunardini. “Mas há muitas anãs brancas, então não vejo isso como algo muito artificial.”
Os pesquisadores continuam a explorar as implicações dos raios cósmicos de mais alta energia estarem no lado pesado. Mas eles podem concordar que isso torna o problema de como acelerá-los mais fácil. “A composição pesada em direção à energia mais alta relaxa muito mais as coisas”, disse Rieger.
Fonte primária
À medida que a pequena lista de aceleradores candidatos se cristaliza, a busca pela resposta certa continuará a ser conduzida por novas observações. Todos estão entusiasmados com AugerPrime, um observatório atualizado; a partir do final deste ano, ele identificará a composição de cada evento individual de raios cósmicos, em vez de estimar a composição geral. Dessa forma, os pesquisadores podem isolar os prótons, que são os que menos desviam em seu caminho para a Terra, e olhar para trás em suas direções de chegada para identificar fontes individuais. (Essas fontes provavelmente produziriam os núcleos mais pesados também.)
Muitos especialistas suspeitam que uma mistura de fontes pode contribuir para o espectro de raios cósmicos de ultra-alta energia. Mas eles geralmente esperam que um tipo de fonte domine e apenas um alcance o fim do espectro. “Meu dinheiro está nisso, é apenas um”, disse Unger.
Publicado em 28/04/2021 14h46
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