Raios cósmicos de alta energia chegam à Terra vindos de fora da Galáxia

O Observatório Pierre Auger, na Argentina, finalmente tem provas sólidas de que as partículas mais energéticas da natureza provêm de fontes externas à Via Láctea. Os cientistas já desconfiavam disso há décadas, mas não tinham conseguido confirmar essa suspeita até agora.

“Pela primeira vez, temos a prova de que os raios cósmicos de maior energia são de origem extra-galáctica“, diz Alan Watson, astrónomo do Reino Unido e co-fundador do observatório. O resultado é um alívio para os cientistas, após reivindicações anteriores relativas à origem dessas partículas feitas há dez anos pela Colaboração Pierre Auger, ter se mostrado prematura.

A equipa internacional analisou 12 anos de dados e descobriu que as partículas na maior faixa de energia eram mais provavelmente provenientes ​​de uma região do céu fora do disco da Via Láctea. Essa assimetria é aproximadamente consistente com a distribuição de galáxias vizinhas, informaram os investigadores.

O estudo não identifica as fontes individuais dos raios cósmicos, nem explica como atingem as suas mais altas energias. Mas os investigadores esperam que este seja um primeiro passo para entender as suas origens.

A maioria dos raios cósmicos são protões ou outras partículas carregadas, incluindo núcleos atómicos tão pesados como o ferro. Quando tais partículas chegam à atmosfera superior da Terra e colidem com um núcleo atómico no ar, produzem uma explosão de metralhadoras de partículas subatómicas.

Estas atingem outros núcleos e produzem mais partículas, gerando um “chuveiro” invisível que é frequentemente espalhado por muitos quilómetros quadrados quando atinge o solo.

Para detectar esses chuveiros, o Observatório Pierre Auger tem 1.600 tanques de água de tamanho de carros colocados a intervalos de 1,5 km, para cobrir 3 mil quilómetros quadrados de planícies gramíneas na província argentina de Mendoza.

Quatro conjuntos de telescópios monitorizam o céu sobre aquele lugar, e nas noites sem lua podem detectar flashes de luz ultravioleta gerados pelos chuveiros. A partir da sua localização relativamente próxima do equador, a matriz pode pegar raios cósmicos provenientes de todo o céu do sul, bem como de grande parte do céu do norte, cobrindo 85% da esfera celestial.

O observatório precisa de ser tão grande para registar as partículas mais procuradas. Os raios cósmicos foram detectados com energias além de 10²⁰ electrão-volt (eV); em comparação, o Large Hadron Collider perto de Genebra, na Suíça, o acelerador de partículas mais poderoso do mundo, pressiona os protões para apenas 7 × 10¹² eV.

No entanto, os raios cósmicos tornam-se cada vez mais raros quanto maiores são as suas energias. Uma partícula na faixa de 10²⁰ eV, em média, atinge um quilómetro quadrado da Terra apenas uma vez por século.

Os investigadores analisaram 32.187 partículas que tiveram energia acima de 8 × 10¹⁸ eV, detectadas pelo observatório desde o início, em 2004, até 2016. O campo magnético da Galáxia encurta os caminhos das partículas carregadas, que podem aleatorizar a direcção quando atingem a Terra. Mas essas partículas ainda eram 6% mais prováveis ​​do que a média para vir de uma determinada região do céu, que está fora do disco da Via Láctea.

A maioria dos investigadores esperava uma inclinação, mas não tão forte, diz Piera Ghia, física de astro-partículas do Instituto de Física Nuclear do CNRS em Orsay, em França, que ajudou a coordenar a análise de dados.

O astrofísico Francis Halzen, da Universidade de Wisconsin-Madison, nos EUA, concorda. “É realmente muito grande. Para mim, foi uma surpresa“, diz Halzen, que é porta-voz do IceCube, um importante observatório de neutrinos no pólo sul.

Quando a deflexão magnética é tomada em consideração, a assimetria observada pelo Observatório Pierre Auger é consistente com a distribuição de galáxias entre cerca de 90 megaprosecs (cerca de 300 milhões de anos-luz) da Via Láctea, diz Silvia Mollerach, astrofísica do observatório no Instituto Balseiro em San Carlos de Bariloche, na Argentina.

Os resultados desfizeram fortemente a possibilidade do buraco negro super-massivo no centro da Via Láctea ser uma das principais fontes de partículas de alta energia. “As fontes mais prováveis ​​continuam a ser as suspeitas habituais”, diz Mollerach, referindo-se a fenómenos astrofísicos que geram campos magnéticos extremamente intensos, dentro dos quais as partículas carregadas podem rebater e ganhar energia.

Estes incluem núcleos galácticos activos – buracos negros super-massivos que vomitam jactos de matéria a uma velocidade próxima da luz – e explosões estelares chamadas explosões de raios Y.

Essa descoberta é bastante conservadora em comparação com uma que a mesma colaboração científica fez em 2007. Naquela época, eles encontraram uma correlação entre 27 raios cósmicos de alta energia (acima de 57 × 10¹⁸ eV) que tinham visto até aquele momento e um conjunto de conhecidos núcleos galácticos activos.

O artigo causou uma sensação, mas a significância estatística do resultado foi fraca e derreteu à medida que a matriz juntou mais dados. “Em retrospectiva, foi um erro publicarmos muito cedo”, diz o porta-voz do observatório, Karl-Heinz Kampert, físico da Universidade de Wuppertal, na Alemanha.

Desta vez, a equipa evitou qualquer risco: acumulou muito mais dados e confia que os resultados são sólidos, diz Kampert. E Halzen concorda – “Eu não acho que haja dúvidas sobre a significância estatística dos últimos resultados”.

Agora que os cientistas têm mais dados, vão novamente tentar encontrar correlações com fontes potenciais. Os resultados desse estudo devem aparecer em poucos meses. A colaboração também planeia unir forças com um observatório menor em Utah, o Telescope Array, para tentar mapear as origens dos raios cósmicos em todo o céu.

O Observatório Pierre Auger também está nas fases iniciais de uma actualização de 12 milhões de dólares – mais de 10 milhões de euros – que deve permitir medições melhores da abundância relativa de protões e núcleos mais pesados no fluxo de raios cósmicos.