Os físicos estão começando a desvendar os mistérios dos raios cósmicos de energia ultra-alta, partículas aceleradas pelas forças mais poderosas do universo.
Na noite de 15 de outubro de 1991, a partícula “Oh-Meu-Deus” riscou o céu de Utah.
Um raio cósmico do espaço, ele possuía 320 elétron-volts exa (EeV) de energia, milhões de vezes mais do que as partículas atingem no Grande Colisor de Hádrons, o acelerador mais poderoso já construído por humanos. A partícula estava indo tão rápido que, em uma corrida de um ano com a luz, teria perdido por meros milésimos de cabelo. Sua energia era igual à de uma bola de boliche jogada no dedo do pé. Mas as bolas de boliche contêm tantos átomos quantas estrelas. “Ninguém nunca pensou que você pudesse concentrar tanta energia em uma única partícula antes”, disse David Kieda, um astrofísico da Universidade de Utah.
Cerca de oito quilômetros de onde caiu, um pesquisador trabalhava em seu turno dentro de um trailer velho e infestado de ratos estacionado no topo de uma montanha deserta. Mais cedo, ao anoitecer, Mengzhi “Steven” Luo ligou os computadores para o detector Fly’s Eye, uma série de dezenas de espelhos esféricos que pontilhavam o solo árido do lado de fora. Cada um dos espelhos foi aparafusado dentro de uma “lata” giratória formada a partir de uma seção de bueiro, que ficava voltada para baixo durante o dia para evitar que o sol soprasse seus sensores. Quando a escuridão caiu em uma noite clara e sem lua, Luo rolou as latas em direção ao céu.
“Foi um experimento muito bruto”, disse Kieda, que operou o Fly’s Eye com Luo e vários outros. “Mas funcionou – era isso.”
O rastro de luz fraca da partícula Oh-My-God (como o programador de computador e fundador da Autodesk John Walker a apelidou em um artigo da Web) foi localizado nos dados do Fly’s Eye no verão seguinte e relatado depois que o grupo passou um ano a mais para convencer eles próprios o sinal era real. A partícula quebrou um limite de velocidade cósmica estabelecido décadas antes por Kenneth Greisen, Georgiy Zatsepin e Vadim Kuzmin, que argumentou que qualquer partícula energizada além de aproximadamente 60 EeV irá interagir com a radiação de fundo que permeia o espaço, assim rapidamente liberando energia e diminuindo a velocidade. Este “corte GZK” sugeriu que a partícula Oh-My-God deve ter se originado recentemente e nas proximidades – provavelmente dentro do superaglomerado local de galáxias. Mas um acelerador astrofísico de tamanho e potência inimagináveis seria necessário para produzir tal partícula. Quando os cientistas olharam na direção de onde a partícula tinha vindo, eles não puderam ver nada do tipo.
“É como se você tivesse um gorila em seu quintal jogando bolas de boliche em você, mas ele é invisível”, disse Kieda.
Universidade de Utah
De onde veio a partícula Oh-Meu-Deus? Como isso poderia existir? Realmente? As perguntas motivaram os astrofísicos a construir detectores maiores e mais sofisticados que desde então registraram centenas de milhares de “raios cósmicos de energia ultra-alta” com energias acima de 1 EeV, incluindo algumas centenas de eventos “trans-GZK” acima do corte de 60 EeV (embora nenhum atingindo 320 EeV). Ao quebrar o limite de velocidade GZK, essas partículas desafiaram uma das previsões de maior alcance já feitas. Parecia possível que eles pudessem oferecer uma janela para as leis da física em escalas inalcançáveis – talvez até conectando a física de partículas com a evolução do cosmos como um todo. No mínimo, eles prometeram revelar o funcionamento de objetos astrofísicos extraordinários que nunca haviam brilhado em lentes de telescópio. Mas ao longo dos anos, à medida que as partículas lançavam pinceladas de luz nos sensores em todas as direções, em vez de pintar um padrão revelador que poderia ser comparado, digamos, com a localização de buracos negros supermassivos ou galáxias em colisão, elas criaram confusão. “É difícil explicar os dados de raios cósmicos com qualquer teoria em particular”, disse Paul Sommers, um astrofísico semi-aposentado da Universidade Estadual da Pensilvânia que se especializou em raios cósmicos de energia ultra-alta. “Existem problemas com qualquer coisa que você propõe.”
Apenas recentemente, com a descoberta de um “ponto quente” de raios cósmicos no céu, a detecção de partículas cósmicas de alta energia relacionadas e uma melhor compreensão da física em energias mais familiares, os pesquisadores garantiram os primeiros pontos de apoio na busca para entender o ultra-alto – raios cósmicos de energia. “Estamos aprendendo muito rapidamente”, disse Tim Linden, astrofísico teórico da Universidade de Chicago.
Problemas de tornozelo
Revista Olena Shmahalo / Quanta.
Dados originais via S. Swordy, U. Chicago.
Milhares de raios cósmicos bombardeiam cada metro quadrado da atmosfera da Terra a cada segundo, e ainda assim eles conseguiram escapar da descoberta até uma série de passeios ousados em balões de ar quente no início da década de 1910. Enquanto o físico austríaco Victor Hess subia quilômetros na atmosfera, ele observou que a quantidade de radiação ionizante aumentava com a altitude. Hess mediu esse zumbido de partículas eletricamente carregadas mesmo durante um eclipse solar, estabelecendo que grande parte dele vinha de além do sol. Ele recebeu o Prêmio Nobel de Física por seus esforços em 1936.
Os raios cósmicos, como se tornaram conhecidos, passam pelo campo magnético da Terra de todas as direções e com uma difusão suave de energias. (No nível do mar, experimentamos a radiação secundária de baixa energia produzida quando os raios cósmicos se chocam com a atmosfera.) A maioria dos raios cósmicos são prótons únicos, os blocos de construção carregados positivamente dos núcleos atômicos; a maior parte do restante são núcleos mais pesados e alguns são elétrons. Quanto mais energético é um raio cósmico, mais raro ele é. O mais raro de todos, aqueles que são rotulados de “ultra-alta energia” e excedem 1 EeV, atingem cada quilômetro quadrado do planeta apenas uma vez por século.
Traçar o número de raios cósmicos que borrifam os detectores de acordo com suas energias produz uma linha inclinada para baixo com duas curvas – o espectro de energia “joelho” e “tornozelo”. Eles parecem marcar as transições para diferentes tipos de raios cósmicos ou fontes progressivamente maiores e mais poderosas. A questão é: quais tipos e quais fontes?
Como muitos especialistas, Karl-Heinz Kampert, professor de astrofísica da Universidade de Wuppertal na Alemanha e porta-voz do Observatório Pierre Auger, o maior detector de raios cósmicos de energia ultra-alta do mundo, acredita que os raios cósmicos são acelerados por algo como os estrondos sônicos de jatos supersônicos, mas em escalas maiores. A aceleração de choque, como é chamada, “é um processo fundamental que você encontra em qualquer escala no universo”, disse Kampert, de erupções solares a explosões de estrelas (supernovas) e estrelas que giram rapidamente chamadas pulsares até os enormes lobos que emanam de misteriosos, super – galáxias brilhantes conhecidas como núcleos galácticos ativos. Todos são casos de matéria aquecida (ou “plasma”) fluindo mais rápido do que a velocidade do som, produzindo uma onda de choque em expansão que acumula uma crosta de prótons e outras partículas. As partículas refletem para frente e para trás através da onda de choque, presas entre o campo magnético do plasma e o vácuo do espaço vazio como pequenas bolas de pingue-pongue entre a mesa e o remo. Uma partícula ganha energia a cada salto. “Então, ele escapará”, disse Kampert, “e se moverá pelo universo e será detectado por um experimento.”
Emily Fuhrman for Quanta Magazine
No entanto, tentar combinar diferentes ondas de choque com partes do espectro de energia dos raios cósmicos coloca os astrofísicos em terreno instável. Eles esperariam que o joelho e o tornozelo marcassem os pontos mais altos para os quais prótons e núcleos mais pesados (respectivamente) podem ser energizados nas ondas de choque das supernovas – os aceleradores mais poderosos de nossa galáxia. Os cálculos sugerem que os prótons devem atingir o máximo em torno de 0,001 EeV e, de fato, isso se alinha com o joelho. Acredita-se que núcleos mais pesados de ondas de choque de supernova sejam capazes de atingir 0,1 EeV, tornando este número o ponto de transição esperado para fontes mais poderosas de raios cósmicos “extragalácticos”. Estas seriam ondas de choque de objetos singulares que não são encontrados na Via Láctea ou na maioria das outras galáxias, e que poderiam muito bem ter o tamanho de galáxias. No entanto, o tornozelo medido do espectro – “o único lugar onde parece haver uma transição clara”, disse Sommers – fica em torno de 5 EeV, uma ordem de magnitude além do máximo teórico para raios cósmicos galácticos. Ninguém tem certeza do que fazer com a discrepância.
Depois do tornozelo, por volta de 60 EeV, a linha cai para zero, formando uma espécie de dedo do pé. Este é provavelmente o corte GZK, o ponto além do qual os raios cósmicos só podem durar um certo tempo antes de perder energia para as microondas cósmicas ambientais geradas por uma transição de fase no início do universo. A existência do corte, que Kampert chama de “a única previsão firme já feita” sobre os raios cósmicos, foi estabelecida em 2007 pelo sucessor do Fly’s Eye – o experimento Fly’s Eye de alta resolução, ou HiRes. A partir daí, o espectro de energia se reduz a um filete de raios cósmicos trans-GZK, terminando finalmente em 320 EeV, com um único ponto de dados: a partícula Oh-My-God.
A presença do corte GZK significa que as leis da física estão operando conforme o esperado. Em vez de refutar essas leis, os raios cósmicos trans-GZK provavelmente se originam nas proximidades (atingindo a Terra antes que as microondas ambientais sugassem sua energia). Mas onde e como? Por 20 anos enlouquecedores, as partículas pareceram vir de todos os lugares e de nenhum lugar em particular. Mas, finalmente, um ponto de acesso se desenvolveu no hemisfério norte. Poderia ser o gorila invisível lançando bolas de boliche em direção à Terra?
Ficando mais quente
Em Utah, a três horas de carro do local do Fly’s Eye original, seu último descendente se espalha pelo deserto: uma grade de detectores de 762 quilômetros quadrados chamada Telescope Array. O experimento tem rastreado as “chuvas de ar” multibilionárias de partículas produzidas por raios cósmicos de energia ultra-alta desde 2008. “Há vários anos observamos o aumento da significância estatística do ponto de acesso”, disse Gordon Thomson, professor de física. e astronomia na Universidade de Utah e porta-voz da Telescope Array.
K. Kawata, Instituto de Pesquisa de Raios Cósmicos da Universidade de Tóquio
O ponto de acesso de raios cósmicos trans-GZK, que se concentra na constelação de Ursa Maior, era inicialmente muito fraco para ser levado a sério. Mas, no ano passado, atingiu uma significância estatística estimada de “quatro sigma”, dando-lhe uma chance de 99,994% de ser real. Thomson e sua equipe devem alcançar a certeza de cinco sigma para reivindicar definitivamente uma descoberta. (Thomson espera que isso aconteça na próxima análise de dados do grupo, prevista para junho.) Os teóricos já estão tratando o ponto de acesso como uma âncora para suas ideias.
“É realmente emocionante”, disse Linden. Com mais dados, explicou ele, a localização da fonte pode ser identificada dentro do ponto de acesso (que fica manchado pela deflexão dos raios cósmicos à medida que passam pelos campos magnéticos da galáxia e da Terra). Ao rastrear outros tipos de partículas provenientes do mesmo ponto no céu, “você tem um modelo de como a fonte funciona em muitas ordens de magnitude em energia”, disse ele. O gorila invisível se materializaria.
Enquanto isso, algumas dessas outras partículas estão lentamente se acumulando nos sensores do detector IceCube, um bloco de gelo com quilômetros cúbicos e infundido por cabo enterrado sob o Pólo Sul. Nos últimos quatro anos, o IceCube monitorou os raros rastros de neutrinos no gelo, partículas elementares leves que normalmente voam direto pela matéria e, portanto, exigem imensos esforços para serem detectadas, mas que são produzidas em abundância por processos físicos em todo o universo.
De vez em quando, os neutrinos cósmicos interagem com os átomos e produzem radiação à medida que passam pelo IceCube; suas direções de viagem traçam um novo mapa do cosmos que pode ser comparado aos mapas dos raios cósmicos de ultra-alta energia e aos da luz. Em 2013, os cientistas do IceCube relataram a observação dos primeiros neutrinos de energia muito alta – um par de partículas 0,001-EeV apelidadas de “Bert” e “Ernie” que podem ter vindo das mesmas fontes que produzem raios cósmicos de energia ultra-alta . Os neutrinos têm uma grande vantagem sobre os raios cósmicos como mensageiros dos objetos mais poderosos do universo: por serem eletricamente neutros, eles se movem em linha reta. “Uma vez que os neutrinos chegam até nós desinibidos da fonte, eles podem ser capazes de abrir uma nova janela para o universo”, disse Olga Botner da Universidade de Uppsala na Suécia, porta-voz do IceCube.
Emanuel Jacobi, NSF
Dos 54 neutrinos de alta energia que o IceCube detectou em sua última análise, relatada no início de maio, quatro se originam nas proximidades do ponto quente de raios cósmicos. (Neutrinos podem entrar no detector depois de viajarem pela Terra vindos do céu do norte.) Esta “sugestão de uma correlação”, como Linden a descreveu, pode ser uma pista: os raios cósmicos demoram mais para chegar à Terra do que os neutrinos, então uma fonte comum poderia deve ter lançado partículas energéticas por muitos anos. Candidatos a fontes de vida curta, como explosões de raios gama, seriam descartados em favor de objetos estáveis – talvez uma galáxia em formação de estrelas com um buraco negro supermassivo em seu centro. “Nos próximos anos obteremos muitos mais neutrinos e veremos como essa correlação se desenvolverá”, disse Linden. Por enquanto, porém, a correlação é muito fraca. “Não estou cravando o pé no chão”, disse ele.
Junto com os raios cósmicos e neutrinos, os “raios gama” cósmicos (fótons de alta energia) servirão como um terceiro mensageiro nos próximos anos. Eles são o assunto de várias pesquisas importantes, incluindo o experimento HESS (High Energy Stereoscopic System) na Namíbia – nomeado em homenagem ao pai dos raios cósmicos – e VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) no Arizona, para o qual Kieda, o ex-cientista Fly’s Eye, agora trabalha. A combinação de dados de raios cósmicos, neutrinos e raios gama deve ajudar a localizar e aprimorar a imagem dos astrofísicos dos aceleradores mais poderosos do universo. A pesquisa será organizada em torno do ponto de acesso.
Thomson tem seu dinheiro em fios de galáxias e matéria escura chamados “filamentos” que estão espalhados por todo o cosmos e que, com centenas de milhões de anos-luz de comprimento, estão entre as maiores estruturas existentes. Há um filamento na direção do ponto de acesso. “Provavelmente é algo no filamento”, disse Thomson. De qualquer forma, acrescentou, “agora temos uma ideia de lugares interessantes para procurar. E tudo o que precisamos fazer é coletar mais dados.”
Drenando a piscina
Kampert, do Observatório Pierre Auger, está abordando o mistério dos raios cósmicos de ultra-alta energia de uma direção diferente, perguntando: O que são?
Wikimedia Commons
Alguns astrofísicos dizem que o Observatório Auger teve “azar”. Cobrindo 3.000 quilômetros quadrados de pastagens argentinas, ele coleta muito mais dados do que o Telescope Array, mas não vê um hotspot no hemisfério sul com qualquer lugar perto da proeminência do norte. Ele detectou evidências de uma ligeira concentração de raios cósmicos trans-GZK no céu que se sobrepõe a um núcleo galáctico ativo chamado Centaurus A, bem como outro filamento. Mas Kampert diz que Auger pode nunca coletar dados suficientes para provar que esse chamado “ponto de aquecimento” é real. Ainda assim, a falta de pistas é um mistério em si.
“É um conjunto de dados muito rico e não vemos nada”, disse Sommers, que ajudou a projetar e organizar o Observatório Auger. “Isso é absolutamente incrível para mim. Na década de 1980, eu teria apostado um bom dinheiro que, se tivéssemos as estatísticas que temos agora, haveria pontos de acesso e padrões óbvios. Isso me faz realmente pensar.”
Kampert acha que ele e seus colegas devem simplesmente ficar mais espertos sobre como procuram por pontos de acesso, que certamente estão lá; a região local do universo não é uniformemente coberta por objetos capazes de acelerar partículas para energias trans-GZK. O problema é a deflexão magnética, disse ele. Os campos magnéticos galácticos e extragalácticos desviam os prótons de cinco a 10 graus do curso e desviam os núcleos mais pesados muitas vezes, dependendo do número de prótons que contêm. A análise de Auger de seus eventos de chuva de ar (que integra resultados de ponta de colisões de partículas no Grande Colisor de Hádrons) sugere que os raios cósmicos de mais alta energia tendem a estar no lado pesado, consistindo de núcleos de carbono ou mesmo de ferro.
“Se nas energias mais altas tivermos [núcleos mais pesados], então seu céu estará sempre turvo ou manchado”, disse Kampert. “Seria como fazer astronomia do fundo de uma piscina.”
Ele e sua equipe esperam atualizar seu experimento com a capacidade de identificar a composição dos raios cósmicos evento a evento. Isso permitirá que eles procurem correlações apenas entre as partículas mais leves e menos defletidas. “Composição é realmente a chave para entender a origem das partículas de energia mais alta?, disse ele.
E a mudança em direção a núcleos mais pesados na extremidade oposta do espectro de energia dos raios cósmicos pode ser uma pista importante. Assim como as supernovas aceleram os prótons não além do “joelho” do espectro e podem impulsionar apenas núcleos mais pesados além desse ponto, também podem os aceleradores astrofísicos mais poderosos do universo se extinguirem. Os cientistas podem estar vislumbrando a verdadeira borda do espectro de raios cósmicos: os pontos onde os prótons, e então o hélio, o carbono e o ferro, atingem o máximo. Medir essa queda ajudará a expor como funcionam os aceleradores gigantes – e favorecerá certos candidatos em detrimento de outros.
Os teóricos ainda lutam para imaginar qualquer um desses candidatos produzindo o borrifo de partículas na faixa de 200-EeV ou a partícula Oh-Meu-Deus em 320 – mesmo que sejam feitos de ferro. “Como você obtém uma partícula [320 EeV] não é fácil de nenhuma teoria”, disse Thomson. “Mas estava lá. Aconteceu.”
Mesmo esse fato é questionado. No início da década de 1990, Sommers, que trabalhava temporariamente na Universidade de Utah, ajudou os cientistas do Fly’s Eye a analisar seu sinal 320-EeV. Mas embora o “grande evento” (como ele o chama) tenha sido “muito bem medido pelos padrões da época”, o Fly’s Eye não tinha mudado totalmente de ser um experimento “monocular”, análogo ao olho de uma mosca em vez de dois (um segundo olho estava em construção); faltou a precisão e redundância de matrizes estereoscópicas posteriores. Sommers disse que embora nenhuma razão séria para duvidar da estimativa de energia seja conhecida, “devemos suspeitar dela agora. Com uma exposição muito maior e mais precisa, os novos observatórios não conseguiram detectar nenhuma partícula de tão alta energia. O fluxo de partículas com energias tão altas deve ser tão baixo que teria sido um acaso incrível que o Olho de Mosca detectasse uma.”
As barras de erro que compõem o cálculo da energia da partícula Oh-My-God podem estar todas na direção errada ao mesmo tempo. Nesse caso, foi um erro de sorte para o campo, motivando novos experimentos sem enganar muito os pesquisadores, uma vez que muitas outras partículas trans-GZK se seguiram. E se a partícula Oh-Meu-Deus foi um erro, bem, provavelmente ninguém saberá.
Publicado em 04/02/2021 07h57
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