Crédito de imagem: NASA
Os astrônomos acreditam que as explosões de raios gama, as explosões mais poderosas do Universo, podem estar gerando raios cósmicos de alta energia, as partículas mais energéticas do Universo. Evidências coletadas pelo observatório de raios gama Compton, da órbita da NASA, mostraram que, em um caso de explosão de raios gama, essas partículas de alta energia dominavam a área, dando uma conexão entre elas, mas isso não é evidência suficiente para dizer que estão conclusivamente ligadas .
As explosões mais poderosas do universo, as explosões de raios gama, podem gerar as partículas mais energéticas do universo, conhecidas como raios cósmicos de ultra alta energia (UHECRs), de acordo com uma nova análise de observações do Compton Gamma-Ray Observatory da NASA.
Pesquisadores relatam na edição de 14 de agosto da Nature um padrão recém-identificado à luz a partir dessas explosões enigmáticas que poderiam ser explicadas por prótons se movendo dentro da largura da velocidade da luz.
Esses prótons, como estilhaços de uma explosão, podem ser UHECRs. Tais raios cósmicos são raros e constituem um mistério duradouro na astrofísica, aparentemente desafiando as explicações físicas, pois são energéticos demais para serem gerados por mecanismos conhecidos, como explosões de supernovas.
"Os raios cósmicos 'esquecem' de onde eles vêm, porque, ao contrário da luz, são chicoteados no espaço por campos magnéticos", disse a autora Maria Magdalena Gonzalez, do Laboratório Nacional Los Alamos, no Novo México, e estudante de graduação da Universidade de Wisconsin. "Esse resultado é uma chance emocionante de ver evidências de que eles foram produzidos em sua fonte".
Explosões de raios gama - um mistério que os cientistas estão finalmente começando a desvendar - podem brilhar tão brilhantemente quanto um milhão de trilhões de sóis, e muitos podem ser de um tipo incomumente poderoso de estrela explosiva. As explosões são comuns, mas aleatórias e fugazes, durando apenas alguns segundos.
Os raios cósmicos são partículas atômicas (por exemplo, elétrons, prótons ou neutrinos) que se aproximam da velocidade da luz. Raios cósmicos de baixa energia bombardeiam a Terra constantemente, impulsionados por explosões solares e explosões típicas de estrelas. Os UHECRs, com cada partícula atômica carregando a energia de uma bola de beisebol lançada nas principais ligas, são cem milhões de vezes mais energéticos do que as partículas produzidas nos maiores aceleradores de partículas fabricados pelo homem.
Os cientistas dizem que os UHECRs devem ser gerados relativamente perto da Terra, pois qualquer partícula que viaje mais de 100 milhões de anos-luz perderia parte de sua energia quando chegasse a nós. No entanto, nenhuma fonte local de raios cósmicos comuns parece suficientemente poderosa para gerar um UHECR.
O artigo liderado por Gonzalez concentra-se não especificamente na produção de UHECR, mas em um novo padrão de luz visto em uma explosão de raios gama. Cavando fundo nos arquivos do Observatório Compton (a missão terminou em 2000), o grupo descobriu que uma explosão de raios gama de 1994, chamada GRB941017, parece diferente das outras 2.700 - algumas explosões registradas por esta sonda. Essa explosão foi localizada na direção da constelação de Sagitta, a Flecha, provavelmente a dez bilhões de anos-luz de distância.
O que os cientistas chamam de raios gama são fótons (partículas de luz) cobrindo uma ampla gama de energias, de fato, um milhão de vezes mais amplas do que as energias que nossos olhos registram como as cores de um arco-íris. O grupo de Gonzalez olhou para os fótons de raios gama de energia mais alta. Os cientistas descobriram que esses tipos de fótons dominavam a explosão: eram pelo menos três vezes mais poderosos que o componente de menor energia e, surpreendentemente, milhares de vezes mais poderosos após cerca de 100 segundos.
Ou seja, enquanto o fluxo de fótons de menor energia atingindo os detectores do satélite começou a diminuir, o fluxo de fótons de maior energia permaneceu estável. A descoberta é inconsistente com o popular "modelo de choque síncrotron" que descreve a maioria das explosões. Então, o que poderia explicar esse enriquecimento de fótons de energia mais alta?
"Uma explicação é que os raios cósmicos de energia ultra alta são responsáveis, mas exatamente como eles criam os raios gama com os padrões de energia que vimos precisa de muito cálculo", disse Brenda Dingus, da LANL, coautora do artigo. "Manteremos alguns teóricos ocupados tentando descobrir isso."
Uma injeção retardada de elétrons de energia ultra alta fornece outra maneira de explicar o inesperado fluxo de raios gama de alta energia observado no GRB 941017. Mas essa explicação exigiria uma revisão do modelo padrão de burst, disse o co-autor Dr. Charles Dermer, um astrofísico teórico do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA, em Washington. "Em ambos os casos, esse resultado revela um novo processo que ocorre nas explosões de raios gama", afirmou ele.
Não foram detectadas explosões de raios gama originárias dentro de 100 milhões de anos-luz da Terra, mas através das eras esses tipos de explosões podem ter ocorrido localmente. Nesse caso, Dingus disse, o mecanismo que seu grupo viu no GRB 941017 poderia ter sido duplicado perto de casa, perto o suficiente para suprir os UHECRs que vemos hoje.
Outras explosões no arquivo do Observatório Compton podem ter apresentado um padrão semelhante, mas os dados não são conclusivos. O Telescópio Espacial de Grande Área para Raios Gama da NASA (GLAST), programado para ser lançado em 2006, terá detectores poderosos o suficiente para resolver fótons de raios gama de energia mais alta e resolver esse mistério.
Os co-autores do relatório Nature também incluem doutorado. estudante de graduação Yuki Kaneko, Dr. Robert Preece e Dr. Michael Briggs, da Universidade do Alabama em Huntsville. Esta pesquisa foi financiada pela NASA e pelo Escritório de Pesquisa Naval.
Os UHECRs são observados quando colidem com a nossa atmosfera, conforme ilustrado na figura. A energia da colisão produz uma chuva de bilhões de partículas subatômicas e flashes de luz ultravioleta, que são detectados por instrumentos especiais.
A National Science Foundation e colaboradores internacionais patrocinaram instrumentos no terreno, como o Olho de Mosca de Alta Resolução em Utah (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) e o Observatório Auger na Argentina (http: / /www.auger.org/). Além disso, a NASA está trabalhando com a Agência Espacial Europeia para colocar o Observatório Espacial do Universo Extremo (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) na Estação Espacial Internacional. A missão OWL proposta iria, de órbita, olhar para baixo em direção a chuveiros aéreos, vendo uma região tão grande quanto o Texas.
Esses cientistas registram os flashes e fazem um censo do estilhaço subatômico, trabalhando para trás para calcular quanta energia uma única partícula precisa para formar a cascata atmosférica. Eles chegam a um número chocante de 10 ^ 20 elétron-volts (eV) ou mais. (Para comparação, a energia em uma partícula de luz amarela é 2 eV e os elétrons no tubo da televisão estão na faixa de energia de mil volts de elétron.)
Essas partículas de ultra alta energia experimentam os efeitos bizarros previstos pela teoria da relatividade especial de Einstein. Se pudéssemos observá-los vindo de um canto remoto do cosmos, a uma distância de cem milhões de anos-luz, teríamos de ser pacientes - levará cem milhões de anos para concluir a jornada. No entanto, se pudéssemos viajar com as partículas, a viagem terminou em menos de um dia devido à dilatação do tempo de objetos em movimento rápido, conforme medido por um observador.
Os raios cósmicos de energia mais alta nem sequer podem chegar até nós se produzidos a partir de fontes distantes, porque colidem e perdem energia com os fótons de microondas cósmicos deixados pelo big bang. As fontes desses raios cósmicos devem ser encontradas relativamente próximas a nós, a uma distância de várias centenas de milhões de anos-luz. Estrelas que explodem à medida que surgem raios de raios gama são encontradas a essa distância, e esforços intensivos de observação estão em andamento para encontrar remanescentes de raios gama distinguidos por halos de radiação produzidos pelos raios cósmicos.
Poucos tipos de objetos celestes possuem as condições extremas necessárias para explodir as partículas às velocidades UHECR. Se as explosões de raios gama produzem UHECRs, provavelmente o fazem acelerando partículas em jatos de matéria ejetados da explosão perto da velocidade da luz. As explosões de raios gama têm o poder de acelerar os UHECRs, mas as explosões de raios gama observadas até agora foram remotas, a bilhões de anos-luz de distância. Isso não significa que eles não possam acontecer nas proximidades, dentro da distância de corte do UHECR.
Um dos principais candidatos a tipos duradouros de explosões de raios gama, como o GRB941017, é o modelo supernova / colapsar. As supernovas acontecem quando uma estrela muitas vezes mais massiva que o Sol esgota o combustível, causando o colapso de seu núcleo sob sua própria gravidade, enquanto as camadas externas são explodidas em uma imensa explosão termonuclear. Os colapsares são um tipo especial de supernova, onde o núcleo é tão maciço que cai em um buraco negro, um objeto tão denso que nada, nem mesmo a luz, pode escapar de sua gravidade dentro do horizonte de eventos do buraco negro. No entanto, as observações indicam que os buracos negros são devoradores desleixados, ejetando material que passa próximo, mas não atravessa, seus horizontes de eventos.
Em um colapso, o núcleo da estrela forma um disco de material em torno do recém-formado buraco negro, como a água girando em torno de um ralo. O buraco negro consome a maior parte do disco, mas alguma matéria é explodida em jatos pelos pólos do buraco negro. Os jatos rasgam a estrela em colapso próximo à velocidade da luz e depois perfuram o gás ao redor da estrela condenada. À medida que os jatos colidem com o meio interestelar, eles criam ondas de choque e diminuem a velocidade. Os choques internos também se formam nos jatos, à medida que suas bordas principais desaceleram e são golpeadas por trás por um fluxo de matéria em alta velocidade. Os choques aceleram partículas que geram raios gama; eles também poderiam acelerar as partículas às velocidades UHECR, de acordo com a equipe.
"É como jogar uma bola de pingue-pongue entre uma raquete e uma mesa", disse Dingus. “Quando você aproxima a raquete da mesa, a bola salta cada vez mais rápido. Em uma explosão de raios gama, a raquete e a mesa são conchas ejetadas no jato. Campos magnéticos turbulentos forçam as partículas a ricochetear entre as conchas, acelerando-as quase à velocidade da luz antes de se libertarem como UHECRs. ”
A detecção de neutrinos a partir de explosões de raios gama justificaria a aceleração dos raios cósmicos por explosões de raios gama. Neutrinos são partículas ilusórias produzidas quando prótons de alta energia colidem com fótons. Os neutrinos não têm carga elétrica; portanto, ainda apontam para a direção de sua fonte.
A National Science Foundation está atualmente construindo o IceCube (http://icecube.wisc.edu/), um detector de quilômetro cúbico localizado no gelo sob o Pólo Sul, para procurar emissão de neutrinos a partir de explosões de raios gama. No entanto, as características dos aceleradores de partículas de maior energia da natureza permanecem um mistério duradouro, embora a aceleração pelas estrelas explosivas que produzem raios gama seja favorável desde que Mario Vietri (Universidade de Roma) e Eli Waxman (Instituto Weizmann) o propuseram. em 1995.
A equipe acredita que, embora outras explicações sejam possíveis para essa observação, o resultado é consistente com a aceleração UHECR nas explosões de raios gama. Eles viram raios gama de baixa e alta energia na explosão GRB941017. Os raios gama de baixa energia são o que os cientistas esperam dos elétrons de alta velocidade serem desviados por intensos campos magnéticos, enquanto os raios de alta energia são o que se espera se alguns dos UHECRs produzidos na explosão colidirem com outros fótons, criando uma chuva de partículas , alguns dos quais piscam para produzir raios gama de alta energia quando se decompõem.
O momento da emissão de raios gama também é significativo. Os raios gama de baixa energia desapareceram relativamente rapidamente, enquanto os raios gama de alta energia permaneceram. Isso faz sentido se duas classes diferentes de partículas - elétrons e prótons dos UHECRs - são responsáveis pelos diferentes raios gama. "É muito mais fácil para os elétrons do que os prótons irradiarem sua energia. Portanto, a emissão de raios gama de baixa energia dos elétrons seria mais curta que os raios gama de alta energia dos prótons ”, disse Dingus.
O Observatório Compton Gamma Ray foi o segundo dos Grandes Observatórios da NASA e o equivalente a raios gama do Telescópio Espacial Hubble e do Observatório de Raios X Chandra. Compton foi lançado a bordo do Ônibus Espacial Atlantis em abril de 1991 e, com 17 toneladas, era a maior carga astrofísica já voada na época. No final de sua missão pioneira, Compton foi desorbitado e voltou à atmosfera da Terra em 4 de junho de 2000.
Fonte original: Comunicado de imprensa da NASA
