Depois de mais de uma década de meticulosa recolha de dados, os cientistas do observatório HESS – que significa “Sistema Estereoscópico de Alta Energia” e está localizado na Namíbia – fizeram uma descoberta inovadora. Eles detectaram os elétrons cósmicos mais energéticos já observados, abrindo novos caminhos na nossa compreensão do universo.
“Os raios cósmicos são um mistério centenário”, disse Mathieu de Naurois, pesquisador do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica e vice-diretor da colaboração HESS, ao Space.com.
Relatado pela primeira vez em 1912 pelo físico austríaco Victor Hess, raios cósmicos foram descobertos após uma série de subidas de balão destinadas a explorar a radiação ionizante que foi detectada pela primeira vez em um eletroscópio. No entanto, depois de atingir uma altitude de 5.300 metros, Hess revelou uma fonte natural de partículas de alta energia provenientes de espaço. Hoje, chamamos essas partículas de raios cósmicos.
Agora, os cientistas do HESS estão entusiasmados porque detectaram o energia mais alta elétrons e pósitrons até o momento (um pósitron é como o “oposto” de um elétron porque tem a massa de um elétron, mas tem carga positiva como um próton), que constituem um componente dos raios cósmicos de alta energia. A descoberta é emocionante porque fornece evidências tangíveis de processos cósmicos extremos que liberam quantidades colossais de energia.
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“Compreender estes raios cósmicos permite-nos desvendar grandes aceleradores de partículas em o universo frequentemente associados aos fenómenos mais violentos: a explosão de estrelas; objetos muito compactos com enormes campos gravitacionais e eletromagnéticos, como estrelas de nêutrons e pulsares; fusões cataclísmicas; e buracos negros“, disse de Naurois.
A parte legal é que, como os elétrons com essa energia perdem energia rapidamente, a equipe acredita que eles devem vir de lugares relativamente próximos. “Nas proximidades do nosso sistema solarexistem aceleradores cósmicos de elétrons muito eficientes”, disse de Naurois. “Dentro de algumas centenas anos-luzexistem muitas estrelas, com as mais próximas normalmente situadas a dois anos-luz da Terra. Esperamos, portanto, também ter algumas “estrelas mortas” nesta região, como pulsares ou supernova remanescentes, que poderiam ser as fontes desses elétrons.”
A detecção desses elétrons e pósitrons de alta energia com energias de vários teraelétron-volts – mais altas do que qualquer acelerador de partículas na Terra é capaz de alcançar – tem sido particularmente desafiador por alguns motivos.
Em primeiro lugar, os campos magnéticos galácticos fazem com que os electrões se desviem de um caminho recto, chegando à Terra vindos de direcções aparentemente aleatórias. Em segundo lugar, os instrumentos baseados no espaço são demasiado pequenos para capturar um número suficiente destas partículas, em parte devido à distribuição desigual de energia das partículas no espaço.
Por outras palavras, as fontes de raios cósmicos aceleram as partículas gradualmente, sendo mais provável que as partículas de maior energia escapem dos seus sistemas. Porque alcançar as energias mais elevadas exige tempoisso leva a uma abundância de partículas de baixa energia e progressivamente menos partículas em níveis de energia mais elevados. “Em altas energias, o fluxo de raios cósmicos cai rapidamente, o que significa que os instrumentos espaciais coletam muito poucos deles”, explicou de Naurois.
Por outro lado, no entanto, os telescópios terrestres que detectam raios cósmicos indiretamente têm dificuldade em diferenciar os elétrons dos raios cósmicos de inúmeros outros tipos de raios cósmicos que bombardeiam Atmosfera da Terra.
“O HESS, por outro lado, tem uma enorme área efetiva, tornando-o particularmente adequado para estudar a parte de alta energia do espectro de elétrons”, disse de Naurois.
O Observatório HESS, composto por cinco grandes telescópios espalhados por uma área aproximadamente do tamanho de um campo de futebol, foi projetado para capturar chuvas atmosféricas que emitem radiação Cherenkov. Esta radiação ocorre quando partículas de alta energia colidem com a atmosfera terrestre, criando chuvas de partículas que os telescópios podem detectar e analisar.
Embora seu objetivo principal seja detectar raios gama e encontrar suas fontes, a equipe reaproveitou os dados para procurar esses elétrons de raios cósmicos de alta energia. “O algoritmo usado aqui é baseado em uma comparação pixel por pixel, usando modelagem estatística sofisticada – especificamente análise de probabilidade – entre um modelo pré-calculado e as imagens registradas pela câmera”, disse de Naurois.
Originalmente, o algoritmo foi adaptado para detectar elétrons, que são sutilmente diferentes dos raios gama. Eles também precisavam ser capazes de diferenciar os elétrons dos sinais de fundo. E, como os elétrons são raros nos dados, o algoritmo teve que ser ajustado para rejeitar outras partículas de raios cósmicos, aplicando critérios mais rigorosos, mas isso também resultou na detecção de menos elétrons.
Para melhorar a precisão, “cada observação do telescópio foi minuciosamente simulada, proporcionando uma compreensão mais profunda de como os instrumentos se comportam”, disse de Naurois.
Isso resultou em um conjunto incomparável de dados estatísticos para a análise de elétrons de raios cósmicos. A equipe confirmou que o espectro de energia dos elétrons se estende até pelo menos 40 TeV, o que é 400 vezes maior do que a capacidade de detecção de energia dos aceleradores baseados na Terra. Uma “quebra” acentuada no espectro em torno de 1 TeV indica que os elétrons nesta energia perdem energia rapidamente dentro do Via Lácteasugerindo, como afirmou de Naurois, que se originam de fontes relativamente próximas.
“A nitidez desta quebra implica que apenas algumas, ou possivelmente apenas uma, fonte cósmica é responsável por estes eletrões”, acrescentou. “Se múltiplas fontes estivessem envolvidas, o espectro seria mais suave, com quebras ocorrendo em diferentes níveis de energia. Os melhores candidatos são supernovas relativamente antigas ou fortes ventos estelares de estrelas WR (os núcleos nus de estrelas inicialmente massivas cujo envelope original rico em hidrogênio foi removido por ventos estelares), mas há outras possibilidades que não podemos descartar.”
A equipa afirma que a sua análise não fornece apenas dados cruciais, mas também dados que servirão de referência para estudos futuros.
