Origem Extragalática de Raios Cósmicos de Alta Energia

Mapa em coordenadas galácticas exibindo o fluxo de raios cósmicos com energias superiores a 8×1018 eV (~ 1,3 Joules). O centro da Via Láctea está na origem do sistema de coordenadas e o plano galáctico é representado pela linha pontilhada horizontal que passa pelo centro da figura. A cruz indica a direção do excesso de fluxo medido e as linhas cheias delimitam os contornos a 68% e 95% de nível de confiança.

Em um trabalho publicado na revista Science em 22 de setembro, a Colaboração Pierre Auger reporta evidências observacionais de que raios cósmicos com energias um milhão de vezes maior do que a dos prótons acelerados no Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN vêm de muito mais longe do que da nossa galáxia. Desde a confirmação experimental da existência de raios cósmicos com energias da ordem e mesmo maior do que 1019 eV nos anos 1960, muito se tem especulado acerca da origem galáctica ou extragaláctica dessas partículas. O mistério de meio século foi solucionado estudando partículas cósmicas de energia média 1019 eV (~2 Joules) detectadas no maior observatório de raios cósmicos já construído, o Observatório Pierre Auger, na Argentina. A observação consiste em comparar o fluxo de raios cósmicos vindos de uma metade do céu com aquele originário do lado oposto. O recente resultado mostrou que a essas energias a taxa média de chegada de raios cósmicos é cerca de 6% maior para aqueles vindos de um lado do céu do que para os que vêm do lado oposto, o excesso apontando para uma região distante 120° do centro da galáxia.

A colaboração Auger está formada por mais de 400 cientista de 18 países, entre os quais o Brasil. Na UFRJ, no Instituto de Física, o professor João Torres de Melo Neto e a professora Carla Bonifazi são membros dessa colaboração e vêm trabalhando nos estudos de direção de chegada dos raios cósmicos há muitos anos. Também participou do trabalho a doutoranda Cynthia Ventura, do Observatório do Valongo.

Raios cósmicos são núcleos de elementos desde o hidrogênio (o próton) até o ferro. Acima de 1019 eV, eles chegam ao topo da atmosfera na razão de apenas um por quilômetro quadrado por ano, o que corresponde a uma partícula por século sobre a área de um campo de futebol. Podemos detectar essas partículas tão raras porque, ao entrarem na nossa atmosfera, elas produzem cascatas de elétrons, fótons e múons (uma partícula semelhante ao elétron, porém 200 vezes mais pesada) através de suas sucessivas interações com os núcleos do ar. Tais cascatas, também chamadas de chuveiros atmosféricos, descem na atmosfera com uma velocidade praticamente igual à da luz em uma estrutura semelhante a um disco com vários quilômetros de diâmetro. Os chuveiros contêm mais de dez bilhões de partículas e são detectados no Observatório Auger através da luz Cherenkov que as partículas produzem ao atravessarem alguns dos 1600 detectores contendo 12 toneladas de água e espalhados sobre 3000 km2 na Argentina, uma área equivalente a 2,5 vezes a área da cidade de Rio de Janeiro. Os tempos de chegada das partículas nos detectores são medidos usando receptores GPS e são usados para encontrar as direções de chegada dos chuveiros com uma precisão de aproximadamente 1˚.

Estudando a distribuição das direções de chegada de mais de 30.000 partículas cósmicas, a Colaboração Auger descobriu que essas partículas não chegam de todas as direções igualmente, e que há um claro desvio da uniformidade sobre o céu. Os físicos chamam este efeito de anisotropia. O efeito observado tem uma significância de 5,2 desvios padrão, correspondendo a uma probabilidade de ter sido observada por acaso de aproximadamente 2×10-8 (apenas duas partes em cem milhões, o que seria aproximadamente a probabilidade de ganharmos na Mega-Sena se apostarmos em seis números). A direção da anisotropia aponta para uma região do céu em que a distribuição de galáxias mostra uma densidade maior do que a média. Embora o resultado evidencie claramente a origem extragaláctica das partículas, o estudo não permite identificar individualmente as fontes. A direção da anisotropia aponta para uma área extensa no céu e não para uma região localizada e estreita, uma vez que mesmo partículas tão energéticas ainda têm suas trajetórias desviadas de ao menos algumas dezenas de graus pela ação dos campos magnéticos presentes na nossa galáxia e no espaço intergaláctico. Se considerarmos qualquer configuração realista do campo magnético galáctico conforme o conhecemos hoje, a direção da anisotropia não pode ser explicada assumindo que as fontes estejam situadas no plano da nossa galáxia ou mesmo no centro da nossa galáxia.

Sabemos que existem raios cósmicos de energias ainda maiores do que aqueles incluídos nesse estudo, com alguns atingindo até a energia de uma bola de tênis bem rebatida. Como as deflexões sofridas por essas partículas nos campos magnéticos são menores para energias crescentes, suas direções de chegada à Terra devem apontar para regiões mais próximas de seus lugares de origem. Estes raios cósmicos são ainda mais raros e estudos adicionais estão em andamento procurando identificar quais objetos astrofísicos são, de fato, as suas fontes. O conhecimento da natureza das partículas, em particular de sua carga elétrica e massa, irá ajudar na identificação dessas fontes. Para aumentar a capacidade do Observatório Auger de caracterizar as partículas que chegam até nós, o Observatório está sendo aprimorado com a instalação de novos detectores e equipamentos e planeja-se que continue tomando dados até 2025. Os novos resultados a serem obtidos deverão ajudar a responder as questões ainda em aberto.

Referência:

“Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 × 1018 eV”

The Pierre Auger Collaboration

Science 22 Sep 2017

Vol. 357, Issue 6357, pp.  1266-1270

DOI: 10.1126/science.aan4338