Longe vão os dias em que os astrônomos só estudavam os céus com simples telescópios ópticos. Hoje, desvendar os mistérios do universo envolve instalações cada vez maiores e mais complexas que detectam coisas como ondas gravitacionais e diferentes formas de radiação eletromagnética – o espectro de energia que inclui luz visível e raios-X.
Um ramo particularmente especializado da astronomia é a astronomia de raios gama. Ele faz o que diz na lata, procurando os raios gama, que são os fótons (partículas de luz) mais energéticos do espectro eletromagnético. Na verdade, eles são milhões de vezes mais energéticos do que a luz que podemos ver.
Na astronomia, os raios gama são produzidos por alguns dos eventos mais quentes e energéticos do universo, como explosões estelares e buracos negros “alimentando-se” violentamente da matéria circundante. Embora os raios gama estejam agora ligados a dezenas de tipos diferentes de fontes, em muitos casos ainda não sabemos conclusivamente que tipos de partículas energéticas estão criando esses raios.
De maneira empolgante, a astronomia de raios gama deve ganhar uma enorme vantagem com uma nova instalação. Assim que o Cherenkov Telescope Array (CTA) distribuído globalmente estiver completo, ele visualizará o céu de raios gama com dez vezes mais sensibilidade do que é possível atualmente.
Com mais de 60 telescópios, espera-se que o CTA forneça informações profundas sobre a natureza da matéria escura – um tipo hipotético e invisível de matéria que representa cerca de 85% da massa do universo. A matriz também pode ajudar a resolver um dos mistérios mais antigos da astronomia: de onde vêm as partículas de raios cósmicos (núcleos energéticos e elétrons em nossa galáxia e além). Os raios gama estão ligados a essas partículas, fornecendo um meio de rastreá-las.
Flashes do espaço sideral
A astronomia de raios gama nasceu no início dos anos 1960, quando satélites baseados no espaço foram desenvolvidos para procurar radiação energética do espaço sideral.
A missão Fermi da NASA, lançada em 2008 para uma órbita baixa da Terra, já catalogou vários milhares de fontes de raios gama. A espaçonave Fermi continua a fornecer cobertura ao vivo 24 horas do céu, medindo raios gama com energias atingindo vários 1.000 giga-elétrons volts em energia. Isso é cerca de um trilhão de vezes a energia da luz visível.
Para estudar os raios gama com energias ainda mais altas, precisamos usar métodos terrestres. Embora a atmosfera da Terra nos proteja contra a radiação do espaço sideral, ainda podemos detectar os efeitos secundários dessa proteção no solo.
Isso porque, quando um raio gama interage com a atmosfera da Terra, ele desencadeia uma cascata eletromagnética ou “chuva de ar” de mais de um bilhão de partículas secundárias. Essas partículas são principalmente elétrons e seus parceiros de antimatéria, chamados pósitrons. Esses chuveiros de ar contribuem com cerca de 30 a 50% da radiação natural que experimentamos em nossas vidas.
Tornar o invisível visível
Embora nada possa ir mais rápido que a velocidade da luz no vácuo, partículas carregadas como elétrons e pósitrons (anti-elétrons) podem realmente se mover mais rápido que a luz quando se movem pelo ar.
Quando isso acontece, uma onda de choque é criada como um flash de luz azul e ultravioleta. Este flash, chamado de radiação de Cherenkov, recebeu o nome do físico soviético Pavel Cherenkov, que detectou o fenômeno pela primeira vez em 1934 (e recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1958 por isso, ao lado de dois colegas). O brilho azul da radiação de Cherenkov pode ser visto em lagoas de resfriamento de água ao redor de reatores de energia nuclear.
Ao nível do solo, telescópios com grandes espelhos e câmeras sensíveis podem detectar a luz Cherenkov produzida por um raio gama que atinge nossa atmosfera. Essas câmeras precisam de apenas cerca de dez nanossegundos para capturar um flash Cherenkov contra o fundo brilhante da luz das estrelas e da lua.
Os primeiros telescópios Cherenkov foram desenvolvidos na década de 1960. Depois de muitas variantes, foi o Telescópio Whipple nos Estados Unidos que em 1989 descobriu fótons de raios gama vindos da Nebulosa do Caranguejo.
Esta foi a primeira vez que raios gama com energias de mais de 1.000 giga-elétron-volts (ou 1 tera-elétron-volt, TeV) foram detectados. Assim nasceu a astronomia de raios gama tera-elétron-volt.
Em busca dos extremos
Hoje, todas as três melhores instalações de raios gama TeV do mundo – HESS na Namíbia, MAGIC em La Palma, Espanha e VERITAS no Arizona – descobriram mais de 200 fontes de raios gama TeV. Esses raios poderosos estão ligados a regiões cósmicas de aceleração de partículas, como pulsares, remanescentes de supernovas, aglomerados estelares maciços e buracos negros supermassivos na Via Láctea e outras galáxias.
O HESS mostrou que nossa galáxia, a Via Láctea, é rica em “luz” de raios gama TeV, inclusive no centro da galáxia.
Os raios gama TeV também são vistos em explosões misteriosas de raios gama e outros eventos transitórios e fugazes. Estes estão agora informando nossa compreensão das condições extremas nas quais os raios gama são criados.
A próxima geração do CTA usará as lições aprendidas com o HESS, VERITAS e MAGIC, estendendo o número de telescópios implantados no solo para mais de 60 telescópios. O CTA também usará uma combinação de três tamanhos diferentes de telescópios otimizados para três bandas de energia de raios gama, proporcionando desempenho e “nitidez” sem precedentes.
Terá matrizes em dois locais no solo: uma em Paranal, Chile (51 telescópios) no Hemisfério Sul, e outra em La Palma (13 telescópios) no Hemisfério Norte.
O CTA atraiu a adesão de mais de 1.000 cientistas, incluindo cientistas australianos de sete universidades. Está progredindo bem, com o primeiro telescópio do norte já detectando raios gama da Nebulosa do Caranguejo e várias explosões de raios gama de galáxias ativas alimentadas por buracos negros supermassivos.
Dentro de alguns anos, esperamos ver os primeiros telescópios do sul também detectando raios gama, produzindo muitas outras descobertas. Com o CTA, teremos novos insights sobre onde a aceleração extrema de partículas está ocorrendo em nossa Via Láctea.
Publicado em 09/04/2023 21h55
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