O que lança partículas misteriosamente poderosas chamadas “raios cósmicos” na Terra?

Na Terra, o Grande Colisor de Hádrons pode colidir átomos e acelerar partículas a velocidades próximas à da luz – mas no espaço, existem raios cósmicos de alta energia com mais de 10 milhões de vezes mais potência do que essas partículas velozes. E agora, uma nova investigação sugere que tais raios cósmicos podem esconder um segredo que é a chave para desvendar um puzzle espacial de 60 anos.

Um desses raios cósmicos por exemplo, apelidado de Partícula Amaterasu (em homenagem à deusa japonesa do sol) bateu em Terra em 2021 com uma energia 40 milhões de vezes maior do que as partículas colididas no Grande Colisor de Hádrons (LHC). Amaterasu é considerado o segundo raio cósmico mais poderoso já detectado – depois do apropriadamente chamado “Partícula Oh-meu-Deus“detectado em 1991. No entanto, as origens dessas partículas e as fontes que as aceleraram a energias tão altas estão envoltas em mistério.

Viajando com a energia cinética equivalente à de uma bola de tênis em movimento rápido (muito para uma única partícula de raio cósmico), o Amaterasu aprofundou esse mistério, pois parece ter se originado de uma região semelhante a um vazio, sem nenhuma fonte óbvia. No entanto, os pesquisadores finalmente acham que podem ter encontrado uma resposta. A equipe de um novo estudo acredita que os raios cósmicos de maior energia podem na verdade ser núcleos atômicos de elementos mais pesados que o ferro. Poderia este ser o elo que faltava na nossa compreensão de quais misteriosos eventos violentos lançam estas intensas partículas em direção à Terra?

“As origens e os mecanismos de aceleração dos raios cósmicos de energia ultra-alta estão entre os maiores mistérios da área há mais de 60 anos, desde que o primeiro exemplo foi relatado”, disse o líder da equipe Kohta Murase, do Eberly College of Science da Penn State. disse em um comunicado. “Os raios cósmicos de energia ultra-alta só podem ser acelerados por algumas das fontes mais poderosas do universo. Quando detectamos partículas individuais de raios cósmicos, como a partícula Amaterasu aqui na Terra, podemos muitas vezes usar as suas energias, direcções de chegada e deflexões magnéticas esperadas para inferir as suas possíveis fontes cósmicas.”

Muitas fontes foram propostas como as origens dos raios cósmicos de alta energia, incluindo o colapso de uma estrela massiva para formar um estrela de nêutrons ou um buraco negro ou a colisão das próprias duas estrelas de nêutrons. Para contextualizar, a matéria que compõe as estrelas de nêutrons é tão densa que se uma mera colher de chá dela fosse trazida para a Terra, pesaria cerca de 10 milhões de toneladas, o que equivale a 85.000 baleias azuis adultas (tente colocá-las em uma colher de chá).

Portanto, comprimir um corpo com a massa do Sol a uma largura de cerca de 20 quilómetros já é incrivelmente violento – considere dois desses corpos comprimidos a encontrarem-se.

“Acredita-se que esses raios cósmicos de maior energia venham de fontes astrofísicas extremas, como a colisão de duas estrelas de nêutrons ou o colapso de uma estrela massiva”, disse Murase. “Para muitos eventos de raios cósmicos considerados em conjunto, a sua distribuição de energia, padrão de direção de chegada e composição inferida estatisticamente fornecem pistas importantes sobre a origem destas partículas e como são aceleradas.”

Se Murase e seus colegas pesquisadores estiverem corretos ao dizer que os raios cósmicos podem ser os núcleos de elementos mais pesados que o ferro, então esta história de colisão de estrelas de nêutrons pode finalmente ter alguma base real.

Dois círculos azuis cercados por muitos redemoinhos amarelos e laranja. Há uma luz branca entre os círculos.

Uma ilustração mostra duas estrelas de nêutrons colidindo e se fundindo. (Crédito da imagem: Robert Lea (criada com Canva))

Para compreender estas partículas de alta energia e as suas origens, Murase e colegas realizaram simulações rastreando como os raios cósmicos de diferentes massas perderiam energia à medida que atravessavam vastas distâncias cósmicas para chegar à Terra. O que isto revelou foi que os núcleos atômicos mais pesados que o núcleo atômico do ferro perdiam energia muito mais lentamente do que as partículas mais leves.

“Nossa pesquisa mostrou que em energias comparáveis às da partícula Amaterasu, os núcleos ultrapesados perdem energia mais lentamente do que os prótons ou núcleos de massa intermediária, tornando-os mais capazes de sobreviver a distâncias cósmicas e chegar à Terra em energias extremas”, disse Murase. “Não estamos a dizer que todos os raios cósmicos de energia ultra-elevada são núcleos ultrapesados. Mas se alguns dos eventos de energia mais elevada forem núcleos ultrapesados, isso teria impacto na forma como procuramos as suas fontes.”

A equipe também conseguiu estabelecer restrições sobre quantos núcleos pesados os raios cósmicos representam para a população geral de raios cósmicos de alta energia.

“Os locais mais promissores para a produção e aceleração de tais núcleos ultrapesados são mortes estelares massivas envolvendo colapso explosivo em buracos negros ou estrelas de nêutrons fortemente magnetizadas, bem como fusões binárias de estrelas de nêutrons conhecidas por serem poderosos emissores de ondas gravitacionais”, disse Murase. “Esses fenômenos cósmicos violentos também podem alimentar explosões de raios gama que estão entre as explosões mais energéticas do universo.

“Uma contribuição destas fontes também poderia ajudar a explicar uma possível diferença observada entre os céus do norte e do sul no espectro de raios cósmicos de energia ultra-alta. Se os núcleos ultrapesados contribuírem significativamente nas energias mais altas, os dados futuros deverão indicar uma composição mais pesada que o ferro.”