Microquasares emergem como os motores de partículas mais extremos da Via Láctea

A causa deste declínio acentuado permanece misteriosa desde que foi identificada pela primeira vez, há quase 70 anos. Os investigadores suspeitam há muito tempo que a característica reflecte as energias mais elevadas que as fontes de raios cósmicos podem atingir, marcando uma mudança no espectro de um comportamento de lei de potência para outro.

Micro-quasares surgem como provável origem do “joelho”

Dois novos estudos – publicados em Revisão Nacional de Ciência e Boletim Científico – agora apontam para os micro-quasares alimentados pela acumulação de buracos negros como a principal explicação. Estes estudos mostram que estes sistemas compactos actuam como aceleradores de partículas extremamente poderosos dentro da Via Láctea e podem gerar de forma plausível as energias associadas ao “joelho”. As descobertas também aprofundam a compreensão científica de como os sistemas de buracos negros conduzem processos físicos extremos.

A equipe de pesquisa incluiu cientistas do Instituto de Física de Altas Energias 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 instituições adicionais.

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

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

Um dos resultados mais impressionantes vem do SS 433, onde os raios gama detectados se sobrepõem a uma enorme nuvem atômica. Isto indica fortemente que o buraco negro acelera prótons de alta energia que então colidem com o material circundante. As energias dos prótons no SS 433 excederam 1 PeV, e a potência total atingiu aproximadamente 1.032 joules por segundo, um nível comparável à energia liberada a cada segundo por quatro trilhões das mais poderosas bombas de hidrogênio. Outro micro-quasar, V4641 Sgr, produziu raios gama atingindo 0,8 PeV, identificando-o como outro “acelerador de partículas super PeV”. As partículas parentais por trás desses raios gama carregavam energias acima de 10 PeV.

Estas observações confirmam que os micro-quasares são capazes de acelerar partículas até níveis de PeV através da Via Láctea. Isto resolve uma tensão de longa data na investigação dos raios cósmicos: embora se saiba que os remanescentes de supernovas produzem raios cósmicos, tanto os dados como a teoria sugerem que não podem explicar as energias vistas no “joelho” e acima dele.

LHAASO mede energias de prótons antes consideradas impossíveis de isolar

Compreender o quadro completo requer medições precisas dos espectros de energia de diferentes espécies de raios cósmicos e de seus “joelhos” individuais. 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 de satélite têm cobertura limitada, tornando tais observações extraordinariamente desafiadoras. Os métodos terrestres introduzem interferência atmosférica, o que historicamente tornou quase impossível distinguir prótons de núcleos mais pesados.

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

Vários 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 com medições de energia intermediária do DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), os resultados mostram que a Via Láctea hospeda vários tipos de aceleradores. Cada um tem seu próprio limite de energia característico. O “joelho” marca a energia máxima alcançada pelas fontes que produzem o componente de alta energia recentemente identificado.

A intrincada estrutura do espectro de prótons sugere que os raios cósmicos PeV são em grande parte produzidos por “novas fontes”, como microquasares, que podem acelerar partículas a energias significativamente mais altas do que os remanescentes de supernovas. Essa habilidade lhes permite gerar 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

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

O conjunto de detectores híbridos do LHAASO permite a detecção de raios gama de alta energia de aceleradores cósmicos e medições precisas dos raios cósmicos que atingem o espaço próximo à Terra. Esta dupla capacidade oferece novos conhecimentos sobre os limites de aceleração das fontes astrofísicas e as assinaturas espectrais com que contribuem. Pela primeira vez, os cientistas conseguiram 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 líder global em pesquisa de raios cósmicos de alta energia devido à sua excepcional sensibilidade na astronomia de raios gama e medições precisas de raios cósmicos. As suas realizações continuam a expandir a compreensão dos processos mais extremos do universo.