O enigma centenário dos raios cósmicos está prestes a ser desvendado
Novos trabalhos de astrofísicos da Michigan State University podem ajudar a resolver uma questão científica que paira há mais de um século: de onde vêm os raios cósmicos galácticos? Os raios cósmicos — partículas de alta energia que se movem próximas à velocidade da luz — são conhecidos por chegar de dentro da Via Láctea…
Novos trabalhos de astrofísicos da Michigan State University podem ajudar a resolver uma questão científica que paira há mais de um século: de onde vêm os raios cósmicos galácticos?
Os raios cósmicos — partículas de alta energia que se movem próximas à velocidade da luz — são conhecidos por chegar de dentro da Via Láctea e de regiões mais distantes do universo. No entanto, seus pontos específicos de origem permanecem incertos desde sua descoberta em 1912. Shuo Zhang, professora assistente de física e astronomia na MSU, e sua equipe de pesquisa realizaram dois estudos que oferecem novas pistas sobre onde essas partículas podem ter se formado. Os resultados foram recentemente apresentados na 246ª reunião da American Astronomical Society em Anchorage, Alasca.
Essas partículas em movimento rápido podem ter sido criadas em ambientes extremos, como buracos negros, regiões de formação de estrelas ou os restos de estrelas explosivas. Esses eventos são capazes de gerar neutrinos — partículas minúsculas e quase sem massa que passam constantemente pelo espaço e pela Terra.
“Os raios cósmicos são muito mais relevantes para a vida na Terra do que você pode pensar,” disse Zhang. “Cerca de 100 trilhões de neutrinos cósmicos de fontes muito distantes, como buracos negros, passam pelo seu corpo a cada segundo. Você não gostaria de saber de onde eles vieram?”
Explorando os Aceleradores de Partículas Mais Extremos da Natureza
As fontes que produzem raios cósmicos são poderosas o suficiente para acelerar prótons ou elétrons a energias muito além do que os aceleradores de partículas mais avançados criados pelo homem podem alcançar. O grupo de Zhang se concentra em entender esses aceleradores naturais, chamados PeVatrons, para determinar quais são, onde estão localizados e como impulsionam partículas a essas energias extraordinárias. Ganhar insights sobre esses processos também pode ajudar os cientistas a abordar questões mais amplas sobre a formação de galáxias e a natureza da matéria escura.
Novas Perspectivas a Partir de Estudos de Raios X de Candidatos a PeVatron
Nas suas publicações mais recentes, Zhang e seus alunos investigaram candidatos a PeVatron cujas origens ainda não haviam sido identificadas. No primeiro estudo, o pesquisador de pós-doutorado Stephen DiKerby examinou uma fonte de alta energia enigmática encontrada pelo Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO). Embora o LHAASO tenha detectado a fonte, sua verdadeira natureza ainda era desconhecida. Usando observações de raios X do telescópio espacial XMM-Newton, DiKerby identificou uma nebulosa de vento de pulsar — uma região em expansão preenchida com elétrons energéticos e partículas recebendo energia de um pulsar. Esta descoberta confirmou o candidato como uma fonte de raios cósmicos do tipo nebulosa de vento de pulsar. Apenas um pequeno número de PeVatrons foi classificado dessa maneira.
Observações de Fontes Adicionais do LHAASO Lideradas por Estudantes
O segundo estudo foi realizado por estudantes de graduação da MSU, Ella Were, Amiri Walker e Shaan Karim. Eles usaram o telescópio de raios X Swift da NASA para examinar sinais de raios X de várias fontes de raios cósmicos do LHAASO que foram menos estudadas. Ao calcular limites superiores para a emissão de raios X, seus resultados podem ajudar a orientar futuras investigações de objetos semelhantes.
“Através da identificação e classificação de fontes de raios cósmicos, nosso esforço pode, esperançosamente, fornecer um catálogo abrangente de fontes de raios cósmicos com classificação,” disse Zhang. “Isso poderia servir como um legado para futuros observatórios de neutrinos e telescópios tradicionais realizarem estudos mais aprofundados sobre os mecanismos de aceleração de partículas.”
Combinando Observações de Neutrinos, Raios X e Raios Gama
A equipe de Zhang irá, a seguir, examinar fontes de raios cósmicos, unindo dados do IceCube Neutrino Observatory com resultados de telescópios de raios X e raios gama. O objetivo é entender por que algumas fontes de raios cósmicos emitem neutrinos enquanto outras não, assim como identificar onde e como esses neutrinos são produzidos.
“Esse trabalho exigirá colaboração entre físicos de partículas e astrônomos,” afirmou Zhang. “É um projeto ideal para o grupo de física de alta energia da MSU.”
Esta pesquisa é apoiada por várias concessões de observação da NASA e pela concessão de análise do IceCube da National Science Foundation.
