A causa dessa queda acentuada permaneceu misteriosa desde que foi identificada pela primeira vez há quase 70 anos. Pesquisadores suspeitaram por muito tempo que esse recurso reflete as energias mais altas que as fontes de raios cósmicos podem alcançar, marcando uma mudança no espectro de um comportamento de lei de potência para outro.

Micro-quasars emergem como a origem provável do “joelho”

Dois novos estudos — publicados na National Science Review e na Science Bulletin — agora apontam para micro-quasars alimentados pela acreção de buracos negros como a principal explicação. Esses estudos mostram que esses sistemas compactos agem como aceleradores de partículas extremamente poderosos dentro da Via Láctea e podem plausivelmente gerar as energias associadas ao “joelho”. As descobertas também aprofundam a compreensão científica de como os sistemas de buracos negros impulsionam processos físicos extremos.

A equipe de pesquisa incluiu cientistas do Instituto de Física de Alta Energia da Academia Chinesa de Ciências (CAS), da Universidade de Nanjing, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China da CAS, da Universidade La Sapienza de Roma e de várias outras instituições.

LHAASO detecta emissão de ultra-alta energia de cinco micro-quasars

Buracos negros em sistemas binários puxam matéria de estrelas companheiras, criando jatos relativísticos que transformam esses sistemas em “micro-quasars”. O LHAASO agora detectou raios gama de ultra-alta energia de cinco desses objetos: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 e Cygnus X-1. Esta é a primeira vez que essas fontes foram sistematicamente observadas em tais altas energias.

Um dos resultados mais impressionantes vem de SS 433, onde os raios gama detectados sobrepõem-se a uma nuvem atômica massiva. Isso indica fortemente que o buraco negro acelera prótons de alta energia que, então, colidem com o material circundante. As energias dos prótons em SS 433 superaram 1 PeV, e a potência total atingiu aproximadamente 10³² joules por segundo, um nível comparável à energia liberada a cada segundo por quatro trilhões das bombas de hidrogênio mais poderosas. Outro micro-quasar, V4641 Sgr, produziu raios gama que atingiram 0,8 PeV, identificando-o como outro “acelerador de partículas super PeV”. As partículas progenitoras por trás desses raios gama carregavam energias superiores a 10 PeV.

Essas observações confirmam que micro-quasars são capazes de acelerar partículas a níveis de PeV em toda a Via Láctea. Isso resolve uma tensão de longa data na pesquisa de raios cósmicos: enquanto os remanescentes de supernovas são conhecidos por produzir raios cósmicos, tanto os dados quanto a teoria sugerem que eles não podem explicar as energias vistas no “joelho” e acima dele.

LHAASO mede energias de prótons que antes se pensava serem impossíveis de isolar

Compreender o quadro completo exige medições precisas dos espectros de energia de diferentes espécies de raios cósmicos e seus respectivos “joelhos”. Medir o espectro de prótons (os núcleos mais leves) é o primeiro e mais crucial passo. No entanto, os prótons na faixa de energia do “joelho” são extremamente raros, e os detectores por satélite têm cobertura limitada, tornando tais observações extraordinariamente desafiadoras. Métodos baseados em solo introduzem interferências atmosféricas, o que, historicamente, tornava quase impossível distinguir prótons de núcleos mais pesados.

Utilizando suas avançadas instalações de detecção de raios cósmicos, LHAASO desenvolveu técnicas de análise multiparamétrica que permitiram aos pesquisadores identificar uma amostra estatisticamente grande e altamente pura de prótons. Isso possibilitou uma medição precisa de seu espectro de energia que rivaliza com a precisão dos instrumentos baseados em satélite. Os resultados revelaram uma estrutura inesperada: em vez de uma transição suave entre comportamentos de lei de potência, o espectro de prótons contém um novo “componente de alta energia” distinto.

Múltiplos aceleradores cósmicos moldam o ambiente de partículas da Via Láctea

Quando combinados com dados de prótons do satélite AMS-02 em energias mais baixas e as medições de energia intermediária do Explorador de Partículas de Matéria Escura (DAMPE), os resultados mostram que a Via Láctea abriga vários tipos de aceleradores. Cada um possui seu próprio limite de energia característico. O “joelho” marca a energia máxima alcançada por fontes que produzem o novo componente de alta energia identificado.

A complexa estrutura do espectro de prótons sugere que os raios cósmicos de PeV são em grande parte produzidos por “novas fontes” como micro-quasars, que podem acelerar partículas a energias significativamente mais altas do que os remanescentes de supernovas. Essa capacidade permite que eles gerem as partículas responsáveis pelo “joelho” e aquelas que se estendem além dele.

Sistemas de jatos de buracos negros ligados diretamente ao “joelho” dos raios cósmicos

Conjuntamente, as descobertas formam uma explicação consistente. Elas resolvem a origem há muito debatida do “joelho” e fornecem evidências observacionais convincentes para o papel dos sistemas de buracos negros na produção de raios cósmicos.

A matriz de detectores híbridos do LHAASO permite tanto a detecção de raios gama de alta energia de aceleradores cósmicos quanto medições precisas dos raios cósmicos que alcançam o espaço próximo à Terra. Essa dupla capacidade oferece novos insights sobre os limites de aceleração das fontes astrofísicas e as assinaturas espectrais que elas contribuem. Pela primeira vez, os cientistas foram capazes de conectar diretamente o “joelho” a uma classe específica de objetos: sistemas de jatos de buracos negros.

O LHAASO, projetado, construído e operado por cientistas chineses, tornou-se um líder global em pesquisa de raios cósmicos de alta energia devido à sua excepcional sensibilidade em astronomia de raios gama e medições precisas de raios cósmicos. Suas realizações continuam a expandir a compreensão dos processos mais extremos do universo.