Raios cósmicos ultraenergéticos têm origem extragaláctica

Professora da Unicamp participa de descoberta de pesquisadores da colaboração Pierre Auger e descrita em artigo na Science


Pesquisadores participantes da colaboração Pierre Auger – o maior observatório do mundo dedicado ao estudo e à detecção de raios cósmicos, localizado na província de Mendoza, na Argentina – descobriram que, acima de um determinado nível de energia, essas partículas, que são as mais energéticas da natureza e atingem constantemente a atmosfera terrestre, têm origem extragaláctica.

A descoberta foi descrita em um artigo publicado nesta sexta-feira (22/09) na revista Science pela colaboração, que conta com a participação de cerca de 500 cientistas, provenientes dos 17 países-membros, dentre eles 30 do Brasil.

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Vista parcial do Observatório Pierre Auger, localizado na província de Mendoza, na Argentina | Foto: Pierre Auger Observatory

A participação dos pesquisadores vinculados a universidades e instituições de pesquisa do Estado de São Paulo na colaboração tem apoio da FAPESP. Já a participação de pesquisadores de outros estados é financiada por outras agências de fomento à pesquisa estaduais e federais.

“A chance de essa conclusão ser fruto do acaso é de dois em 100 milhões”, disse Carola Dobrigkeit Chinellato, professora do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Unicamp e presidente da comissão brasileira no Observatório Pierre Auger, a Victoria Flório em entrevista à revista Pesquisa FAPESP.

A partir de dados registrados pelo Observatório entre janeiro de 2004 e agosto de 2016, os pesquisadores observaram que raios cósmicos ultraenergéticos – acima de 8 vezes 1018 elétrons-volts (eV) – chegam em maior número à Terra vindos de um lado do céu.

Essa região no céu de onde vêm mais raios cósmicos ultraenergéticos coincide com a localização de grande parte das galáxias vizinhas da Via Láctea, em um raio de até 700 mil anos-luz.

“Essa é uma forte evidência de que os raios cósmicos de altas energias vêm de fora da Via Láctea”, disse Chinellato.


Partículas raras

De acordo com os pesquisadores participantes da colaboração, a descoberta contribui não apenas para entender a origem dessas partículas ultraenergéticas, como também os mecanismos cósmicos capazes de imprimir tamanha energia a essas diminutas entidades subatômicas, que podem viajar a distâncias de trilhões de quilômetros (anos-luz) através do espaço e chegar à Terra carregando energias extremas.

Núcleos atômicos leves como o do hidrogênio ou pesados como o do ferro, os raios cósmicos chegam à Terra vindos do espaço, a todo instante.

O fluxo dessas partículas subatômicas para a Terra, contudo, diminui abruptamente conforme a energia aumenta. As de energia acima de 1018 de eV, denominadas ultraenergéticas, como a que os pesquisadores detectaram agora, aparecem na Terra com uma frequência de 1 partícula por quilômetro quadrado (km²) por ano.

Foto: scarpa
Carola Dobrigkeit Chinellato, professora do IFGW da Unicamp e presidente da comissão brasileira no Observatório Pierre Auger: “A chance de essa conclusão ser fruto do acaso é de dois em 100 milhões”

Por esse motivo, a origem e os mecanismos cósmicos de produção desses raios cósmicos ultraenergéticos, conhecidos há mais de 50 anos, continuam sendo um mistério.

A fim de identificar indícios da origem dessas partículas subatômicas de mais alta energia, os pesquisadores membros da colaboração Auger têm estudado a distribuição de suas direções de chegada à Terra.

Ao atingirem a atmosfera terrestre, a cerca de 10 km a 20 km de altitude, os raios cósmicos ultraenergéticos colidem com núcleos atômicos do ar, como de nitrogênio e oxigênio.

Essas colisões geram centenas ou milhares de outras partículas que seguem rumo ao solo, quase à velocidade da luz (de cerca de 300 mil km por segundo), na forma de cascatas de partículas, chamadas de “chuveiro atmosférico extenso”.

As partículas carregadas no chuveiro excitam as moléculas de nitrogênio no ar, produzindo uma tênue luz azul, que é captada por telescópios de fluorescência do Observatório Pierre Auger durante noites claras.

As partículas também são registradas por 1.660 detectores de superfície do observatório, batizado em homenagem ao físico francês Pierre Auger (1899-1992).

Espalhados por uma área de 3 mil km2, em uma região plana ao lado dos Andes, os detectores, que operam ininterruptamente, consistem em tanques de polietileno, preenchidos com 12 mil litros de água ultrapurificada e instrumentalizados com sensores fotomultiplicadores.

Quando as partículas de um chuveiro atmosférico atravessam a água no interior do tanque é emitida luz – chamada radiação Cherenkov – que pode ser medida nos sensores.

Com base na análise desses dois tipos de luz, entre outros dados, é possível extrair diversas informações sobre o raio cósmico (dito primário) que iniciou a cascata de partículas no alto da atmosfera.

O artigo Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 × 1018 eV (doi: 10.1126/science.aan4338), da colaboração Pierre Auger, pode ser lido na revista Scienceem http://science.sciencemag.org/content/357/6357/1266.

(Com informações do Núcleo de Comunicação Social do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas - CBPF)