Mistério centenário dos raios cósmicos está perto de ser resolvido

Sabe-se que os raios cósmicos – partículas de alta energia que se movem perto da velocidade da luz – chegam de dentro da Via Láctea e de regiões mais distantes do universo. No entanto, os seus pontos de origem específicos permanecem obscuros desde a sua descoberta em 1912. Shuo Zhang, professora assistente de física e astronomia na MSU, e a sua equipa de investigação conduziram dois estudos que oferecem novas pistas sobre onde estas partículas podem ter-se formado. Os resultados foram recentemente partilhados na 246ª reunião da Sociedade Astronómica Americana em Anchorage, Alasca.

Estas partículas em movimento rápido podem ter sido criadas em ambientes extremos, como buracos negros, regiões de formação estelar ou restos de estrelas que explodiram. Tais eventos são capazes de gerar neutrinos – partículas minúsculas, 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 imagina”, disse Zhang. “Cerca de 100 trilhões de neutrinos cósmicos de fontes muito, muito distantes, como buracos negros, passam pelo seu corpo a cada segundo. Você não quer 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 impulsionar prótons ou elétrons a energias muito além daquelas que os mais avançados aceleradores de partículas feitos pelo homem podem alcançar. O grupo de Zhang concentra-se na compreensão destes aceleradores naturais, chamados PeVatrons, para determinar o que são, onde estão localizados e como impulsionam as partículas para energias tão extraordinárias. Obter informações sobre estes processos também pode ajudar os cientistas a abordar questões mais amplas sobre a formação de galáxias e a natureza da matéria escura.

Novos insights de estudos de raios X de candidatos ao PeVatron

Nas suas últimas publicações, Zhang e os seus alunos investigaram candidatos ao PeVatron cujas origens ainda não tinham sido identificadas. No primeiro estudo, o pesquisador de pós-doutorado Stephen DiKerby examinou uma intrigante fonte de alta energia encontrada pelo Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO). Embora o LHAASO tenha detectado a fonte, a sua verdadeira natureza ainda era desconhecida. Usando observações de raios X do telescópio espacial XMM-Newton, DiKerby identificou uma nebulosa de vento pulsar – uma região em expansão cheia de electrões energéticos e partículas que recebem energia de um pulsar. Esta descoberta confirmou o candidato como uma fonte de raios cósmicos do tipo nebulosa de vento pulsar. Apenas um pequeno número de PeVatrons foi classificado desta forma.

Observações lideradas por estudantes de fontes adicionais de LHAASO

O segundo estudo foi conduzido pelos 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 LHAASO menos estudadas. Ao calcular os 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, esperamos que nosso esforço possa 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 mecanismos de aceleração de partículas.”

Combinando observações de neutrinos, raios X e raios gama

A equipe de Zhang examinará em seguida as fontes de raios cósmicos, mesclando dados do Observatório IceCube Neutrino com resultados de telescópios de raios X e raios gama. O seu objetivo é compreender por que algumas fontes de raios cósmicos emitem neutrinos e outras não, bem como identificar onde e como esses neutrinos são produzidos.

“Este trabalho exigirá a colaboração entre físicos de partículas e astrônomos”, disse Zhang. “É um projeto ideal para o grupo de física de altas energias da MSU.”

Esta pesquisa é apoiada por várias bolsas de observação da NASA e pela bolsa de análise IceCube da National Science Foundation.