Astrônomos chocados com misteriosos raios cósmicos de energia extremamente alta – ‘O que diabos está acontecendo?’

Perdendo apenas para a partícula Oh-My-God, a recém-nomeada partícula Amaterasu aprofunda o mistério da origem, propagação e física de partículas de raros raios cósmicos de energia ultra-alta.

Em 1991, o experimento Fly’s Eye da Universidade de Utah revelou os raios cósmicos de maior energia já observados. Mais tarde apelidada de partícula Oh My God, a energia dos raios cósmicos chocou os astrofísicos. Nada na nossa galáxia tinha a capacidade de produzir isso, e a partícula tinha mais energia do que era teoricamente possível para os raios cósmicos que viajavam para a Terra vindos de outras galáxias. Simplificando, a partícula não deveria estar lá.

Quebra-cabeças astronômicos

Desde então, o conjunto de telescópios detectou mais de 30 raios cósmicos de alta energia, embora nenhum tenha se aproximado do nível de energia. Nenhuma observação revelou ainda sua origem ou como eles conseguiram viajar para a Terra.

Ilustração artística de raios cósmicos altamente energéticos observados pelo conjunto de detectores de superfície do Array Telescope, chamados partículas Amaterasu. Fonte: Universidade Metropolitana de Osaka/L-Insight, Universidade de Kyoto/Ryuunosuke Takeshige

Em 27 de maio de 2021, o experimento Telescope Array detectou o segundo raio cósmico de maior energia. Tamanho 2,4×10²⁰Volt, a energia desta única partícula subatômica é equivalente a deixar cair uma pedra no dedo do pé, na altura da cintura. O conjunto de telescópios, liderado pela Universidade de Utah (U) e pela Universidade de Tóquio, consiste em 507 estações de detecção de superfície dispostas em uma grade quadrada cobrindo 700 km² (~270 milhas²) fora de Delta, Utah, no deserto ocidental do estado. Este evento acionou 23 detectores na região noroeste do conjunto de telescópios, espalhados por uma distância de 48 km.² (18,5 milhas²). Sua direção de chegada parece ter vindo do vazio local, uma região vazia do espaço adjacente ao via Láctea galáxia.

“As partículas têm energia muito alta e não devem ser afetadas por campos magnéticos galácticos e extragalácticos. Elas devem ser capazes de apontar de onde vieram no céu”, disse John Matthews, porta-voz do Telescope Array da Universidade de Califórnia e co-autor do estudo. Mas no caso da partícula Oh My God e desta nova partícula, você pode rastreá-la até sua fonte e não há nada com energia alta o suficiente para produzi-la. Esse é o segredo: o que diabos está acontecendo?

Partícula Amaterasu

Em nota publicada em 24 de novembro de 2023 na revista Ciências, uma colaboração internacional de investigadores descreveu raios cósmicos de energia extremamente elevada, avaliou as suas propriedades e concluiu que fenómenos raros podem seguir-se à física de partículas desconhecida pela ciência. Os pesquisadores a chamaram de partícula Amaterasu, em homenagem à deusa do sol na mitologia japonesa. As partículas Oh-My-God e Amaterasu foram descobertas usando diferentes técnicas de observação, confirmando que estes eventos de energia extremamente alta, embora raros, são reais.

Ilustração artística da astronomia de raios cósmicos de ultraenergia para ilustrar fenômenos altamente energéticos em contraste com raios cósmicos mais fracos afetados por campos eletromagnéticos. Fonte: Universidade Metropolitana de Osaka/Universidade de Kyoto/Ryuunosuke Takeshige

“Esses eventos parecem vir de lugares completamente diferentes no céu. Não é como se houvesse uma fonte misteriosa, “disse John Bales, professor da U e coautor do estudo. “Podem ser imperfeições na estrutura do espaço-tempo, colisões de cordas cósmicas. Quero dizer, estou apenas falando das ideias malucas que as pessoas têm porque não há uma explicação convencional.

Aceleradores de partículas naturais

Os raios cósmicos são ecos de eventos celestes violentos que reduziram a matéria à sua estrutura subatômica e a lançaram através do universo quase à velocidade da luz. Os raios cósmicos são basicamente partículas carregadas com uma ampla gama de energias que consistem em prótons positivos, elétrons negativos ou núcleos atômicos inteiros que viajam pelo espaço e caem na Terra quase continuamente.

Os raios cósmicos atingem a atmosfera superior da Terra e explodem os núcleos de oxigênio e nitrogênio, gerando muitas partículas secundárias. Essas partículas viajam uma curta distância na atmosfera e repetem o processo, criando uma chuva de bilhões de partículas secundárias que se espalham pela superfície. A área desta chuva secundária é enorme e exige que os detectores cubram uma área tão grande quanto um conjunto de telescópios. Os detectores de superfície usam uma combinação de dispositivos que fornecem aos pesquisadores informações sobre cada raio cósmico; O tempo do sinal mostra o seu caminho e a quantidade de partículas carregadas que atingem cada detector revela a energia da partícula elementar.

Como as partículas têm carga, sua trajetória de vôo se assemelha a uma bola em uma máquina de pinball, enquanto ziguezagueia contra os campos eletromagnéticos através da radiação cósmica de fundo. É quase impossível traçar o caminho da maioria dos raios cósmicos, que se encontram na extremidade baixa a média do espectro de energia. Mesmo os raios cósmicos de alta energia são distorcidos pela radiação de fundo das micro-ondas. Partículas contendo Oh-My-God e a energia de Amaterasu explodem através do espaço intergaláctico em uma forma relativamente rígida. Somente os eventos celestiais mais poderosos podem produzi-los.

“Coisas que as pessoas pensam que são ativas, como as supernovas, não têm energia suficiente para fazer isso. Precisamos de enormes quantidades de energia e de campos magnéticos muito elevados para confinar a partícula à medida que ela acelera”, disse Matthews.

O segredo dos raios cósmicos ultraenergéticos

Os raios cósmicos de alta energia devem exceder 5 x 10¹⁹ Volt. Isto significa que uma única partícula subatômica carrega a mesma energia cinética que a bola rápida de um jogador da liga principal e tem dezenas de milhões de vezes mais energia do que qualquer acelerador de partículas feito pelo homem poderia alcançar. Os astrofísicos calcularam este limite teórico, conhecido como ponto de corte Gryssen-Zatsepian-Kuzmin (GZK), como a quantidade máxima de energia que um próton pode transportar enquanto viaja longas distâncias antes que as interações da radiação de fundo de micro-ondas retirem sua energia. Fontes candidatas conhecidas, como núcleos galácticos ativos ou buracos negros com discos de acreção que emitem jatos de partículas, tendem a estar a mais de 160 milhões de anos-luz da Terra. A nova partícula é 2,4×10²⁰ Um volt e uma partícula, meu Deus, 3,2 x 10²⁰ Volt excede facilmente o corte.

Os pesquisadores também estão analisando a composição dos raios cósmicos em busca de pistas sobre suas origens. Partículas mais pesadas, como núcleos de ferro, são mais pesadas, têm maior carga e são mais propensas a se curvar em um campo magnético do que partículas mais leves feitas de prótons de hidrogênio. milho. A nova partícula provavelmente será um próton. A física de partículas determina que um raio cósmico com uma energia que excede o corte GZK é tão poderoso que a radiação de fundo de micro-ondas não pode distorcer seu caminho, mas traça seus pontos de caminho no espaço vazio.

“Os campos magnéticos podem ser mais fortes do que pensávamos, mas isto é inconsistente com outras observações que mostram que não são fortes o suficiente para produzir curvatura significativa em energias de 10 a 20 MeV”, disse Bales. “É um verdadeiro mistério.”

Expanda a pesquisa e o conjunto de telescópios

o Matriz de telescópios Está numa posição única para detectar raios cósmicos de energia muito elevada. Ele está localizado a uma altitude de cerca de 1.200 metros (4.000 pés), o ponto de elevação ideal que permite que as partículas secundárias se desenvolvam ao máximo, mas antes de começarem a decair. A sua localização no deserto ocidental do Utah proporciona condições meteorológicas ideais de duas maneiras: o ar seco é crítico porque a humidade absorverá a luz ultravioleta necessária para a detecção; Céus escuros são necessários porque a poluição luminosa criará muito ruído e bloqueará os raios cósmicos.

Os astrofísicos ainda estão intrigados com este fenômeno misterioso. O conjunto de telescópios está no meio de um processo de expansão que eles esperam que ajude a resolver este problema. Depois de concluídos, 500 novos detectores cintilantes irão expandir o conjunto do telescópio e coletar amostras de chuvas de partículas geradas por raios cósmicos ao longo de 2.900 quilômetros.² (1.100 milhas² ), uma área aproximadamente do tamanho do estado de Rhode Island. Esperamos que a área maior capture mais eventos que esclareçam o que está acontecendo.

Para saber mais sobre esta descoberta:

Referência: “Um raio cósmico extremamente energético detectado por um conjunto de detectores de superfície” 23 de novembro de 2023, Ciências.
doi: 10.1126/science.abo5095