Misteriosos raios cósmicos de ultra-alta energia intrigam astrônomos

Foi detectada uma partícula de raios cósmicos com uma energia cerca de 36 milhões de vezes superior à das partículas aceleradas pelo Grande Colisor de Hádrons do CERN. Com 244 EeV, esta é uma das partículas mais energéticas já observadas e foi detectada em 2021 pelo Telescope Array em Utah. Embora o raio cósmico de energia ultra-alta (UHECR) tenha sido provavelmente criado por um processo astrofísico violento, os investigadores não conseguiram rastreá-lo até às suas origens.

Os pesquisadores apelidaram a partícula de Amaterasu, que é a deusa do Sol na mitologia japonesa. O recorde de energia atual para um UHECR é de 320 EeV, mantido pela partícula “Oh-My-God”, que foi detectada em 1991 em Utah por um antecessor do Telescope Array.

UHECRs são partículas subatômicas, como prótons, que possuem energias superiores a 1 EeV (10¹⁸ eV). Embora pareçam vir de fora da Via Láctea, as suas origens ainda são pouco compreendidas devido à raridade de serem observadas na Terra.

Corte cósmico

Na busca pelas origens das UHECRs, os astrônomos se beneficiam de um fenômeno chamado corte Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK). Isto ocorre porque as UHECRs com energias acima de cerca de 60 EeV interagem com a radiação cósmica de fundo à medida que viajam pelo espaço – perdendo energia à medida que avançam. Isto significa que as partículas com estas energias mais elevadas não podem ter viajado mais do que cerca de 300 milhões de anos-luz antes de chegarem à Terra.

Apesar deste corte, equipe internacional que detectou Amaterasu não são mais sábios sobre a origem da partícula, de acordo com Toshihiro Fujii da Universidade Metropolitana de Osaka, no Japão – que foi o primeiro a notar evidências da UHECR nos dados do Telescope Array.

“Encontramos este novo mistério”, disse ele, ressaltando que a partícula não se correlaciona com nenhum objeto astrofísico conhecido. Escrevendo no diário Ciência, a equipe sugere várias origens possíveis para o Amaterasu.

Escuridão e luz

Olhando dentro do limite GZK e assumindo que a partícula foi desviada pelo campo magnético da Via Láctea, uma possível origem é a galáxia NGC 6946. Esta fica a cerca de 25 milhões de anos-luz de distância e é conhecida pela sua prodigiosa formação estelar e numerosas supernovas. No entanto, os astrônomos não observaram raios gama ou raios X da galáxia. A observação desta radiação sugeriria a presença de um objeto astrofísico capaz de acelerar UHECRs. Amaterasu também pode ser rastreada até o Vazio Local, uma região próxima com uma densidade de galáxias incomumente baixa. Mas, novamente, não há nenhum objeto que possa ser identificado como fonte.

De acordo com a equipa, outra possibilidade é que a nossa compreensão incompleta da física de partículas além do Modelo Padrão possa significar que Amaterasu viajou mais longe do que o permitido pelo corte GZK. Se for este o caso, então pode ser que a origem da UHECR seja tão distante que não possamos detectar as suas emissões electromagnéticas.

De acordo com Fujii, a fonte mais exótica possível de Amaterasu é um “acelerador escuro” – um objeto hipotético que emite UHECRs, mas nenhuma outra radiação.

Apesar da descoberta e especulação, Rafael Alves Batista, astrofísico da Universidade Autônoma de Madrid, disse Mundo da física que a observação não revela “nada de novo” sobre as UHECRs.

“Sou conservador no sentido de que não entraria em nenhuma explicação além do Modelo Padrão”, diz ele. “Temos objetos astrofísicos que podem de fato gerar esses raios cósmicos de alta energia. Simplesmente não sabemos como isso acontece, ou onde estão esses objetos, ou quais objetos estão fazendo isso.”

Ele também salienta que os astrónomos têm uma compreensão muito fraca dos campos magnéticos fora da Via Láctea, o que torna o retrocesso muito difícil.

Incerteza total

“Na nossa galáxia, não conhecemos realmente [o campo magnético galáctico], mas pelo menos sabemos que está dentro de limites específicos. Mas, para campos magnéticos extragalácticos, é completamente incerto”, disse Batista.

Tanto Fujii como Batista concordam que são necessárias mais observações destes eventos raros antes de podermos começar a compreender as origens das UHECRs. Também são necessárias melhorias na nossa compreensão dos campos magnéticos extragalácticos.

Algumas dessas observações certamente serão feitas pelo Telescope Array. É o maior detector de raios cósmicos do hemisfério norte e está actualmente a ser expandido para ser um factor quatro maior do que a sua área actual.

Hoje, partículas como o Amaterasu são detectadas uma vez a cada 15 anos, mas Fujii diz que melhorias no Telescope Array poderiam reduzir isso para uma vez a cada quatro anos.

A pesquisa é descrita em Ciência.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/mysterious-ultrahigh-energy-cosmic-ray-puzzles-astronomers/