Depois de um século de mistério, os cientistas têm agora a primeira evidência conclusiva de que os raios cósmicos vêm de violentas explosões de estrelas, dizem os pesquisadores.
Raios cósmicos atingem a Terra de todas as direções do espaço com quantidades gigantescas de energia, superando qualquer coisa que os aceleradores de partículas mais poderosos da humanidade podem produzir. Existe uma grande variedade de raios cósmicos, desde elétrons até núcleos atômicos maciços ou antimatéria, mas cerca de 90% são prótons.
O cientista austríaco Victor Hess descobriu essas partículas eletricamente carregadas vindas do espaço profundo depois de um vôo de balão de alta altitude, em 1912. No entanto, apesar de um século de pesquisas, as origens dos raios cósmicos permanecia um mistério.
"Os raios cósmicos são uma parte significativa do conteúdo total de energia de nossa galáxia, mas até agora não tivemos nenhuma evidência incontestável de onde eles vêm", disse o autor do estudo, Stefan Funk, um astrofísico do Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas e Cosmologia da Universidade de Stanford.
O mistério dos raios cósmicos
Os cientistas já suspeitavam que os raios cósmicos estivessem ligados aos produtos das explosões de supernovas, as mais poderosas no Universo, que são visíveis nas bordas mais distantes do Cosmos. Os pesquisadores especularam que os raios cósmicos são acelerados de forma gradual e por longos períodos de tempo, pelas camadas de gás que as supernovas expulsam, conhecidas como remanescentes de supernovas.
No entanto, como os raios cósmicos possuem cargas elétricas, são desviados por qualquer campo magnético que encontram. Uma vez que é provável que estes raios resvalaram antes de chegar à Terra, é um desafio provar onde nasceram.
Para ajudar a resolver o mistério dos berçários dos raios cósmicos, os pesquisadores passaram quatro anos analisando os dados do Telescópio de Grande Área (LAT, na sigla em inglês), a bordo do telescópio Fermi de raios gama. Os cientistas se concentraram em dois remanescentes de supernovas, ambos localizados na Via Láctea: IC 433, a cerca de 5.000 anos-luz de distância, na constelação de Gêmeos, e W44, a de cerca de 10.000 anos-luz de distância, na constelação da Águia.
"Nós encontramos, pela primeira vez, as fontes no Universo que aceleram prótons", disse Funk.
Pistas das supernovas
As ondas de choque de supernovas podem, em princípio, acelerar prótons a energias de raios cósmicos através de um processo conhecido como a aceleração de Fermi. Nesse fenômeno, prótons ficam presos em campos magnéticos nas ondas de choque que se movem rapidamente e são acelerados para perto da velocidade da luz. As colisões entre prótons mais rápidos e mais lentos podem gerar partículas subatômicas, chamadas píons neutros, que, por sua vez, podem decair rapidamente em fótons na faixa dos raios gama, a forma mais energética de radiação eletromagnética.
Ao contrário dos raios cósmicos, os raios gama não são afetados por campos magnéticos, o que significa que viajam em linhas retas, podendo ser rastreados até suas fontes. Assim, os pesquisadores procuraram pelos raios gama como evidência direta da criação dos raios cósmicos.
Os raios gama da aceleração de Fermi vêm numa grande variedade de energias. Os dados dos cientistas reunidos a partir de restos de supernovas combinava com a assinatura de energia característica dos decaimentos em píons neutros, ligando claramente as supernovas aos raios cósmicos.
"Este é um mistério de 100 anos de idade e ser capaz de ver a evidência direta dos prótons acelerados foi um grande sentimento", disse Funk.
"Até agora, tivemos apenas cálculos teóricos e bom senso para guiar-nos na crença de que os raios cósmicos foram gerados em remanescentes de supernovas", disse o astrofísico Jerry Ostriker na Universidade de Columbia, que não esteve envolvido no estudo. "A detecção direta das assinaturas de decaimentos em píons em remanescentes de supernovas fecha o ciclo e fornece evidências observacionais dramáticas para uma componente significativa de raios cósmicos".
"Embora esta pesquisa mostra que as supernovas podem gerar raios cósmicos, ainda é incerto se as explosões de estrelas causam a maioria dos raios cósmicos ou se há outras fontes potencialmente mais importantes para essas partículas", Funk disse. "Também não está claro como exatamente restos de supernovas podem acelerar prótons e até que energias podem acelerar as partículas."
"A aceleração na onda de choque é um processo bastante lento e acontece ao longo do tempo de vida dos remanescentes de supernovas", disse Funk. "Nós gostaríamos de entender a eficiência da aceleração em diferentes estágios evolutivos, além de outros detalhes do processo."
Em pesquisas futuras, os cientistas também podem buscar as origens dos raios cósmicos de energia ainda maior do que estes prótons. "Para isso, é preciso usar telescópios terrestres, instrumentos que usam a interação dos raios gama com a atmosfera da Terra, como o HESS, ou VERITAS ou o futuro Cherenkov Telescope Array", disse Funk.
"Raios cósmicos de ultra-alta energia são extremamente raros e, portanto, precisam de áreas de detecção enormes," Funk acrescentou. "Uma instalação como a do Observatório Pierre Auger, com sede na Argentina, e no futuro as pessoas estão falando sobre a instalação de um instrumento na Estação Espacial Internacional, que iria procurar interações na atmosfera da Terra."
Os cientistas detalharam suas descobertas na edição de 15 de fevereiro da revista Science, bem como na reunião anual da Associação Americana para o Avanço da Ciência, em Boston hoje (14 de fevereiro).
Fonte: Space.Com
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