O Observatório Pierre Auger, na Argentina, finalmente tem evidências sólidas de que as partículas mais energéticas da natureza provêm de fontes externas à Via Láctea. Os cientistas já desconfiavam disso há décadas, mas não haviam conseguido confirmar essa suspeita – até agora.

“Pela primeira vez, temos a prova de que os raios cósmicos de maior energia são de origem extragaláctica”, diz Alan Watson, astrônomo do Reino Unido e co-fundador do observatório. O resultado vem como um alívio para os pesquisadores, após reivindicações anteriores relativas à origem dessas partículas, feitas há dez anos pela Colaboração Pierre Auger, posteriormente ter se mostrado prematura.

A equipe internacional analisou 12 anos de dados e descobriu que as partículas na maior faixa de energia eram mais provavelmente provenientes ​​de uma região do céu fora do disco da Via Láctea. Essa assimetria é aproximadamente consistente com a distribuição de galáxias vizinhas, informaram os pesquisadores na edição de 22 de setembro da revista Science.

O estudo não identifica as fontes individuais dos raios cósmicos, nem explica como eles atingem suas mais altas energias. Mas os pesquisadores esperam que este seja um primeiro passo para entender suas origens.

Chuveiro de energia

A maioria dos raios cósmicos são prótons ou outras partículas carregadas, incluindo núcleos atômicos tão pesados ​​quanto o ferro. Quando tais partículas chegam à atmosfera superior da Terra e colidem com um núcleo atômico no ar, produzem uma explosão de metralhadoras de partículas subatômicas. Estas atingem outros núcleos e produzem mais partículas, gerando um “chuveiro” invisível que é frequentemente espalhado por muitos quilômetros quadrados quando atinge o solo.

Para detectar esses chuveiros, o Observatório Pierre Auger tem 1.600 tanques de água de tamanho de carros colocados a intervalos de 1,5 km, para cobrir 3.000 quilômetros quadrados de planícies gramíneas na província argentina de Mendoza. Quatro conjuntos de telescópios monitoram o céu sobre o lugar, e – nas noites sem lua – podem detectar flashes de luz ultravioleta gerados pelos chuveiros. A partir da sua localização relativamente próxima ao equador, a matriz pode pegar raios cósmicos provenientes de todo o céu do sul, bem como de grande parte do céu do norte, cobrindo 85% da esfera celestial.

O observatório precisa ser tão grande para pegar o suficiente das partículas mais procuradas. Os raios cósmicos foram detectados com energias além de 1020eléctron-volts (eV); em comparação, o Large Hadron Collider perto de Genebra, na Suíça, o acelerador de partículas mais poderoso do mundo, pressiona os prótons para apenas 7 × 1012 eV. No entanto, os raios cósmicos tornam-se cada vez mais raros quanto maiores são as suas energias. Uma partícula na faixa de 1020 eV, em média, atinge um quilômetro quadrado da Terra apenas uma vez por século.

Os pesquisadores analisaram 32.187 partículas que tiveram energia acima de 8 × 1018 eV, detectadas pelo observatório desde o início, em 2004, até 2016. O campo magnético da Galáxia encurta os caminhos das partículas carregadas, que podem aleatorizar sua direção quando atingem a Terra. Mas essas partículas ainda eram 6% mais prováveis ​​do que a média para vir de uma determinada região do céu, que está fora do disco da Via Láctea.

Desvio surpresa

A maioria dos pesquisadores esperava uma inclinação, mas não tão forte, diz Piera Ghia, física de astropartículas do Instituto de Física Nuclear do CNRS em Orsay, França, que ajudou a coordenar a análise de dados. O astrofísico Francis Halzen, da Universidade de Wisconsin-Madison, nos EUA, concorda. “É realmente muito grande. Para mim, foi uma surpresa “, diz Halzen, que é porta-voz do IceCube, um importante observatório de neutrinos no pólo sul.

Quando a deflexão magnética é levada em consideração, a assimetria observada pelo Observatório Pierre Auger é consistente com a distribuição de galáxias entre cerca de 90 megaprosecs (cerca de 300 milhões de anos-luz) da Via Láctea, diz Silvia Mollerach, astrofísica do observatório no Instituto Balseiro em San Carlos de Bariloche, na Argentina.

Os resultados desfizeram fortemente a possibilidade do buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea ser uma das principais fontes de partículas de alta energia. “As fontes mais prováveis ​​continuam a ser as suspeitas habituais”, diz Mollerach: fenômenos astrofísicos que geram campos magnéticos extremamente intensos, dentro dos quais as partículas carregadas podem rebater e ganhar energia. Estes incluem núcleos galácticos ativos – buracos negros supermassivos que vomitam jatos de matéria a uma velocidade próxima da luz – e explosões estelares chamadas explosões de raios γ.

Essa descoberta é bastante conservadora em comparação com uma que a mesma colaboração científica fez em 2007. Naquela época, eles encontraram uma correlação entre 27 raios cósmicos de alta energia (acima de 57 × 1018 eV) que tinham visto até aquele momento e um conjunto de conhecidos núcleos galácticos ativos. O artigo causou uma sensação, mas a significância estatística do resultado foi fraca e logo derreteu à medida que a matriz coletou mais dados. “Em retrospectiva, foi um erro publicarmos muito cedo”, diz o porta-voz do observatório, Karl-Heinz Kampert, físico da Universidade de Wuppertal, na Alemanha.

Desta vez, a equipe evitou qualquer risco: acumulou muito mais dados e confia que os resultados são sólidos, diz Kampert. Halzen concorda. “Eu não acho que haja dúvidas sobre a significância estatística dos últimos resultados”, diz ele.

Agora que os pesquisadores têm mais dados, eles tentarão novamente encontrar correlações com fontes potenciais. Os resultados desse estudo devem aparecer em poucos meses. A colaboração também planeja unir forças com um observatório menor em Utah, o Telescope Array, para tentar mapear as origens dos raios cósmicos em todo o céu. O Observatório Pierre Auger também está nos estágios iniciais de uma atualização de 12 milhões de dólares que deve permitir medições melhores da abundância relativa de prótons e núcleos mais pesados no fluxo de raios cósmicos. 

 

[HypeScience]

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