Os físicos estão a começar a desvendar os mistérios dos raios cósmicos ultra-energéticos, que são partículas aceleradas pelas forças mais poderosas do universo.
Na noite de 15 de Outubro de 1991, a partícula “Oh-Meu-Deus” riscou o céu do estado norte-americano do Utah.
Era um raio cósmico do espaço, que possuía 320 exa electrões-volt (320 Triliões de eV, ou 320 EeV) de energia, milhões de vezes mais do que as partículas alcançam no LHC, o acelerador mais potente já construído pelo homem.
A partícula estava a ir tão rápido que se estivesse numa corrida, durante um ano, com a luz, teria perdido por meros uns milésimos dum cabelo. A sua energia igualou o de uma bola de bólingue que caiu num dedo, ai, do pé. Mas as bolas de bólingue contêm tantos átomos quanto existem estrelas.
“Ninguém pensou que se pudesse concentrar tanta energia numa única partícula”, disse David Kieda, um astrofísico da Universidade de Utah.
Perto dali, a cerca de cinco milhas donde ela caiu, um investigador fazia o seu turno de trabalho dentro dum velho reboque infestado de ratos estacionado no topo duma montanha no deserto. Um pouco antes, ao anoitecer, Mengzhi “Steven” Luo tinha ligado os computadores do detector o Fly’s Eye, um conjunto de dezenas de espelhos esféricos que pontilhavam o terreno lá fora. Cada um dos espelhos estava trancado dentro duma “lata” rotativa construída a partir duma secção cilíndrica, que fica apontada para baixo durante o dia para evitar que o sol afecte os seus sensores. Quando a escuridão caiu nessa noite limpa e sem Lua, Luo virou as latas para o céu.
“Foi uma experiência muito rudimentar”, disse Kieda, que operou o Fly’s Eye com Luo e com outros. “Mas funcionou – que é o que interessa.”
O Fly’s Eye operou a partir duma antiga base militar operacional entre 1981 e 1993, a de Dugway Proving Ground, situada no deserto do Utah ocidental; foi pioneiro na “técnica de fluorescência de ar” para determinar as energias e as direções dos raios cósmicos ultra-energéticos a partir da luz fraca emitida pelas moléculas de ar de azoto quando o chuveiro de raios cósmicos atravessa a atmosfera. Em 1991, o Fly’s Eye detectou um raio cósmico que ainda detém o recorde mundial de partículas de energias elevadas.
Créditos: Universidade de Utah
O rastro levemente brilhante da partícula Oh-Meu-Deus (como o programador de computador e fundador da Autodesk John Walker a chamou num artigo na Web) foi detectado nos dados do Fly’s Eye no Verão seguinte e reportada passado um ano ao longo do qual o grupo tentou convencer-se da veracidade do sinal, que este era real. A partícula tinha quebrado um limite de velocidade cósmica resolvido décadas antes por Kenneth Greisen, Georgiy Zatsepin e Vadim Kuzmin, que argumentaram que qualquer partícula com mais energia do que cerca de 60 EeV irá interagir com a radiação de fundo que permeia o espaço, perdendo assim rapidamente energia, e abrandar. Este “corte GZK” sugeria que a partícula Oh-Meu-Deus deveria ser recente e ter tido sido originada nas proximidades – provavelmente dentro do super-aglomerado local de galáxias. Mas seria preciso um acelerador astrofísico de tamanho e poder inimagináveis para produzir tal partícula. Quando os cientistas olharam na direcção donde tinha vindo a partícula, havia nada que se assemelhasse a tal objecto.
“É como ter um gorila no seu jardim a atirar bolas de bólingue para cima de si e não o conseguir ver”, disse Kieda.
Donde virá a partícula Oh-Meu-Deus? Como poderá existir? Será que é ela realmente? As perguntas motivaram os astrofísicos a construir detectores maiores, mais sofisticados, que, desde então, registaram centenas de milhares de “raios cósmicos ultra-energéticos” com energias acima de 1 EeV, incluindo algumas centenas de eventos”trans-GZK” acima do corte de 60 EeV (embora nenhum tenha atingido 320 EeV). Ao quebrar o limite de velocidade GZK, esta partícula desafiou uma das previsões de longo alcance mais distante jamais feitas. Parecia possível que poderia oferecer uma janela para as leis da física em escalas doutra forma inacessíveis – talvez até mesmo relacionar a física de partículas com a evolução do cosmos como um todo. No mínimo, estas partículas prometiam revelar o funcionamento de objetos astrofísicos extraordinários que só tinham sido avistados como brilhos nas lentes dos telescópios. Mas, ao longo dos anos, como as partículas varreram pinceladas de luz através dos sensores em todas as direções, em vez de pintar um padrão revelador de que poderia ser combinado com, digamos, os locais de buracos negros super-maciços ou com galáxias em colisão, elas geraram alguma confusão. “É difícil explicar os dados de raios cósmicos com qualquer teoria em particular”, disse Paul Sommers, um astrofísico semi aposentado da Universidade Estadual da Pensilvânia que se especializa em raios cósmicos ultra-energéticos. “Surgem problemas com qualquer opção teórica que se proponha.”
Um diagrama logarítmico que mostra o fluxo de raios cósmicos como uma função de energia. A linha tem duas curvas (onde as seus mudanças de inclinação), conhecidos como o “joelho” e o “tornozelo” do espectro de energia de raios cósmicos.
Créditos: Olena Shmahalo / Quanta Magazine.
Dados originais via S. Swordy, Universidade de Chicago.
Só recentemente, com a descoberta de um “hotspot” cósmico no céu, a detecção de partículas cósmicas de alta energia correlacionadas, e uma melhor compreensão da física de energias mais familiares, puderam os investigadores garantir os primeiros pontos de apoio na senda da compreensão dos raios cósmicos de ultra alta energia. “Nós estamos a aprender coisas muito rapidamente”, disse Tim Linden, um astrofísico teórico da Universidade de Chicago.
Problemas no tornozelo
Milhares de raios cósmicos bombardeiam cada metro quadrado da atmosfera da Terra por segundo, e ainda assim conseguiram iludir a sua descoberta até uma série de passeios em balão de ar quente ousados no início dos anos 1910. Como foi o caso do excelente e corajoso físico austríaco Victor Hess que subiu quilómetros na atmosfera, que observou que a quantidade de radiação ionizante aumenta com a altitude. Hess mediu este zumbido de partículas com carga eléctrica, mesmo durante um eclipse solar, o que estabeleceu que muitas delas não eram originárias do sol. Ele recebeu o Prémio Nobel da Física pelos seus esforços em 1936.
Os raios cósmicos, como ficaram conhecidos, descrevem um arco através do campo magnético da Terra em todas as direções, e com uma propagação suave de energias. (Ao nível do mar, nós experimentamos a radiação secundária de baixa energia produzida quando os raios cósmicos chocam com a atmosfera.) A maioria dos raios cósmicos são protões individuais, os blocos de construção com carga positiva dos núcleos atómicos; a maioria dos restantes são núcleos mais pesados, e alguns são electrões. O mais enérgico raio cósmico é o mais raro. O mais raro de todos, aqueles que são rotulados como de “ultra-alta energia” e excedem 1 EeV, atingem cada quilómetro quadrado do planeta somente uma vez por século.
Desenhar o número de raios cósmicos que polvilham os detectores de acordo com as suas energias produz uma linha com inclinação para baixo com duas curvas – o “tornozelo” e o “joelho” do espectro de energia, e estes parecem marcar transições para diferentes tipos de raios cósmicos ou para fontes progressivamente maiores e mais poderosas. A questão é, quais os tipos, e que fontes?
Como muitos especialistas, Karl-Heinz Kampert, professor de astrofísica na Universidade de Wuppertal, na Alemanha e porta-voz do Observatório Pierre Auger, o maior detector de raios cósmicos de ultra-alta energia do mundo, confia que os raios cósmicos são acelerados por algo como os estrondos sónicos dos jactos supersónicos, mas em escalas grandiosas. A aceleração de choque, como é designada, “é um processo fundamental que se encontra em qualquer escala do universo”, disse Kampert, desde erupções solares até implosões/explosões estrelares (supernovas) passando por estrelas chamadas pulsares que giram com enorme rapidez até aos enormes lóbulos que emanam de objectos misteriosos, de galáxias super luminosas conhecidos como núcleos galácticos activos. Todos são casos de matéria aquecida (ou “plasma”) que flui mais rápido do que a velocidade do som, produzindo uma onda de choque em expansão que se acumula numa crosta de protões e doutras partículas. As partículas movimentam-se para a frente e para trás em toda a onda de choque, presas entre o campo magnético do plasma e do vácuo do espaço vazio como pequenas bolas de pingue-pongue entre a mesa e a raquete. Uma partícula ganha energia a cada salto. “Em seguida, ela vai escapar”, Kampert disse, “e move-se através do universo e é detectada por uma experiência.”
Emily Fuhrman para o Quanta Magazine
Os raios cósmicos são provavelmente energizados através de “aceleração de choque”, refletindo para a frente e para trás numa onda de choque que é produzida quando o plasma flui mais rápido do que a velocidade do som. Quanto mais forte e maior for o campo magnético do plasma, mais energia ele pode transmitir a uma partícula. Os raios cósmicos de energia ultra-alta superam 1 exa-electrão volt (EeV).
Esta analogia de Kampert é particularmente feliz, estas partículas de alta energia estão como que presas entre a mesa e a raquete de pingue-pongue, junto um pequeno vídeo para que os excelentes leitores do AstroPT desfrutem duma música de fundo enquanto lêem este post, que é algo longo. 🙂
Tentar combinar diferentes ondas de choque com as regiões de energia dos raios cósmicos no espectro coloca, no entanto, os astrofísicos em terreno movediço. Seria de esperar que o joelho e o tornozelo marcassem os pontos mais altos nos quais os protões e os núcleos mais pesados (respectivamente) podem ser energizados nas ondas de choque de supernovas – os aceleradores mais poderosos da nossa galáxia. Os cálculos sugerem que os protões devem maximizar em torno de 0,001 EeV e, na verdade, isso alinha-se com o joelho. Os núcleos mais pesados das ondas de choque de supernovas pensa-se que sejam capazes de atingir 0,1 EeV, tornando este número o ponto de transição esperado para fontes mais potentes de raios cósmicos “extra-galácticas”. Estas seriam ondas de choque de objectos singulares que não são encontrados na Via Láctea ou na maioria das outras galáxias, e que poderia muito bem ser, elas próprias, da dimensão das galáxias. No entanto, o tornozelo medido do espectro – “o único lugar onde parece que há uma transição clara”, disse Sommers – fica a cerca de 5 EeV, uma ordem de grandeza que ultrapassa o máximo teórico dos raios cósmicos galácticos. Ninguém sabe ao certo o que fazer com esta discrepância.
Passado o tornozelo, a cerca de 60 EeV, a linha mergulha para zero, formando uma espécie de dedo do pé. Este é provavelmente o corte GZK, o ponto além do qual raios cósmicos só se podem alongar tanto tempo até perderem a sua energia para microondas cósmicas do ambiente que foram geradas por uma fase de transição no início do universo. A existência do corte, que Kampert chama de “a única previsão firme já feita”, sobre raios cósmicos, foi criada em 2007 pela sucessora do Fly’s Eye – Fly’s Eye High Resolution experiment ou HiRes. A partir daí, o espectro de energia reduz-se a um fio de raios cósmicos trans-GZK, terminando finalmente, a 320 EeV, num único ponto dos dados: a partícula Oh-Meu-Deus.
A presença do corte GZK significa que as leis da física estão a operar conforme o esperado. Em vez de refutarem essas leis, os raios cósmicos trans-GZK provavelmente têm origem nas proximidades (e chegam à Terra antes do microondas ambiente enfraquecer a sua energia). Mas onde e como? Durante uns 20 anos enlouquecedores, as partículas pareciam vir de todos os lugares e de nenhum lugar em particular. Mas, finalmente, desenvolveu-se um “hotspot” no Hemisfério Norte. Poderia ser este o gorila invisível que atirava bolas de bólingue na direção da Terra?
Quente, mais quente
No Utah, a três horas de carro a partir do local do Fly’s Eye original, o seu último descendente estende-se através do deserto: uma grelha de 762 quilómetros quadrados de detectores chamado Telescope Array. A experiência vem acompanhando desde 2008 os vários “chuveiros atmosféricos” com milhares de milhões (bilhões no Brasil) de partículas produzidas pelos raios cósmicos ultra-energéticos. “Nós estamos a acompanhar o aumento do “hotspot” em significado estatístico há vários anos”, disse Gordon Thomson, um professor de física e de astronomia na Universidade de Utah e porta-voz do Telescope Array.
Dos 87 raios cósmicos que superaram 57 EeV detectados até agora pelo Telescope Array, 27 por cento provêm de 6 por cento do céu. O hotspot centra-se na constelação da Ursa Maior.
K. Kawata, Universidade de Tokyo Institute para Cosmic Ray Research
O “hotspot” de raios cósmicos trans-GZK, que se centra na constelação da Ursa Maior, foi inicialmente muito fraco para ser levado a sério. Mas, no ano passado, chegou a um significado estatístico estimado em sigma 4, dando-lhe uma probabilidade de 99,994 por cento de ser real. Thomson e sua equipa devem chegar a sigma 5 para poderem ter a certeza de reivindicar definitivamente uma descoberta. (Thomson espera que isso venha a suceder na próxima análise de dados do grupo, que deve sair ao longo deste mês de Junho.) Por sua vez os teóricos estão a lidar com o “hotspot” como uma âncora para as suas ideias.
“É realmente emocionante”, disse Linden. Com mais dados, explicou, a localização das fontes pode ser identificada dentro do “hotspot” (já que fica manchada pela deflexão dos raios cósmicos, consoante eles atravessam os campos magnéticos da Terra e da Galáxia). Ao acompanhar outros tipos de partículas provenientes do mesmo ponto no céu, “obtém-se um modelo que descreve como a fonte funciona através de muitas ordens de magnitude em energia”, disse ainda. O gorila invisível materializa-se.
Enquanto isso, algumas dessas outras partículas estão-se a acumular lentamente nos sensores do detector IceCube, um telescópio de neutrinos enterrado sob o Pólo Sul. Nos últimos quatro anos, o IceCube tem monitorizado os traços de neutrinos raros, partículas elementares leves que normalmente voam através da matéria e que, portanto, exigem esforços imensos para as detectar, mas que são produzidos em abundância a partir de processos físicos em todo o universo.
(Como poderão ler nos nossos posts sobre o Tau-neutrino e Alice no país dos neutrinos)
De vez em quando, os neutrinos cósmicos interagem com os átomos e produzem radiação à medida que passam através do IceCube; as suas direções traçam um novo mapa do cosmos que pode ser comparado aos mapas de raios cósmicos ultra-energéticos e aos mapas da luz. Em 2013, os cientistas do Observatório IceCube relataram a primeira observação dos neutrinos de alta-energia – um par de partículas de 0,001-EeV apelidado de “Bert” e “Ernie” que poderia ter provindo das mesmas fontes que produzem raios cósmicos ultra-energéticos.
O AstroPT na altura noticiou esta descoberta e, com toda a simpatia, o Observatório IceCube fez na ocasião a primeira entrada no seu Diário de Missão duma notícia em Português.
Os neutrinos têm uma grande vantagem sobre os raios cósmicos como mensageiros dos objetos mais poderosos do universo: dado serem eletricamente neutros, movem-se em linhas retas. “Uma vez que os neutrinos viajam na nossa direção sem constrangimentos da fonte, isso pode abrir uma nova janela para o universo”, declarou Olga Botner, da Universidade de Uppsala, na Suécia, porta-voz do IceCube.
No Pólo Sul, o Observatório de Neutrinos IceCube está-se a acercar do mistério dos raios cósmicos ultra-energéticos pela caça neutrinos cósmicos relacionados, já que interagem com os átomos de vez em quando ao passar pelo bloco de um quilómetro cúbico de gelo infundido de sensores.
Emanuel Jacobi, NSF
Dos 54 neutrinos de alta energia que o IceCube detectou na sua mais recente análise, que informou no início de Maio, quatro foram originados a partir da proximidade do “hotspot” de raios cósmicos. (Os neutrinos podem entrar no detector depois de viajarem através da Terra a partir do céu do norte.) Este “aviso duma correlação”, como Linden descreveu, poderia ser uma pista: os raios cósmicos levam mais tempo para chegar a Terra do que os neutrinos, então uma fonte comum teria já bombeado para fora as partículas energéticas ao longo de muitos anos. Os candidatos a origens que têm pouco tempo de vida, como as explosões de raios gama seriam descartados a favor de objectos estáveis – talvez uma galáxia de formação estelar com um buraco negro supermassivo no seu centro. “Nos próximos anos vamos detectar muitos mais neutrinos, e vamos ver como essa correlação corresponde”, disse Linden. Por enquanto, porém, a correlação é muito débil. “Eu não estou apostando nela,” afirmou.
Juntamente com os raios cósmicos e neutrinos, os raios gama cósmicos (fotões de alta energia) servirão como um terceiro mensageiro nos próximos anos. São objecto de várias pesquisas importantes, incluindo a experiência HESS (High Energy Stereoscopic System) na Namíbia – assim designada em homenagem ao pai dos raios cósmicos – e o VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) no Arizona, para o qual Kieda, cientista do Eye do ex-Fly, agora trabalha. A combinação de raios cósmicos, dos dados de neutrinos e dos raios gama deve ajudar a localizar e apurar a imagem que os astrofísicos dispõem dos aceleradores mais poderosos do universo. A pesquisa irá organizar-se em torno do “hotspot.”
Thomson aposta por sua vez em redes de galáxias e de matéria escura chamados “filamentos” que são cerzidos em todo o cosmos e que, ao evoluírem ao longo de centenas de milhões de anos-luz de comprimento, estão entre as maiores estruturas existentes. Há um filamento na direcção do “hotspot.” “É provavelmente algo no filamento”, disse Thomson. Em qualquer caso, ele acrescentou, “temos uma ideia dos lugares interessantes para olhar. E tudo o que precisamos agora fazer é coligir mais dados. “
A drenagem da Piscina
Kampert, do Observatório Pierre Auger, está-se aproximando do mistério dos raios cósmicos ultra-energéticos duma direção diferente, perguntando: O que são?
Victor Hess descobriu os raios cósmicos numa série de passeios de ar quente-balão na Áustria entre 1911 e 1913, concluindo que “a radiação de energia muito elevada penetração entra na nossa atmosfera a partir de cima.”
Créditos: Wikimedia commons
Alguns astrofísicos dizem que o Observatório Auger tem sido “azarado.” Cobrindo 3.000 quilómetros quadrados de pastos na Argentina, recolhe muito mais dados do que o Telescope Array, mas não pode ver um “hotspot” no hemisfério Sul com a mesma proeminência do do hemisfério Norte. Detectou indícios de uma ligeira concentração de raios cósmicos trans-GZK no céu que cobre um núcleo galáctico activo chamado Centauros A, bem como outro filamento. Mas Kampert diz que o Observatório Auger não pôde captar dados suficientes para provar se este chamado “warmspot” é real. Ainda assim, a escassez de pistas é um mistério em si.
“É um conjunto de dados muito rico e não vemos nada”, disse Sommers, que ajudou a projectar e organizar o Observatório Auger. “Isso é absolutamente incrível para mim. Na década de 1980 teria apostado bom dinheiro que se tivéssemos as estatísticas que temos agora, não haveria “hotspots” e padrões óbvios. Faz-me realmente questionar.”
Kampert acha que ele e seus colegas devem simplesmente serem mais espertos na forma como olham para os “hotspots,” que estão certamente lá; a região local do universo não é uniformemente coberta por objectos capazes de acelerar partículas a energias trans-GZK. O problema é a deflexão magnética, explicou. Os campos magnéticos galácticos e extra-galácticos impõem uma curvatura aos protões (que são electricamente positivos, note-se) de 5 a 10 graus para fora de rumo, e impõem desvios muitas vezes maiores aos núcleos mais pesados , dependendo do número de protões que estes contiverem. A análise do Observatório Auger de seus eventos de chuveiros atmosféricos (que integra os resultados de ponta das colisões de partículas no LHC, o Grande Colisionador de Hadrões em Genébra) sugere que os raios cósmicos de energias elevadas tendem para o lado pesado da Tabela Periódica, sendo constituídos por núcleos de carbono ou mesmo até por núcleos de ferro.
“Se nas mais altas energias temos [núcleos mais pesados], então o seu céu fica sempre fora de foco ou manchado”, disse Kampert. “Seria como fazer astronomia a partir do fundo duma piscina.”
Ele e a sua equipa esperam actualizar a sua experiência com a capacidade de identificar a composição dos raios cósmicos numa base caso-a-caso. Isto irá permitir-lhes olhar para as correlações entre apenas os mais leves, os das partículas menos desviadas. “A composição é realmente a chave para entender a origem das partículas de energias elevadas”, disse ainda.
E a própria mudança na direcção de núcleos mais pesados no extremo do espectro de energia dos raios cósmicos em si poderia ser uma pista importante. Assim como as supernovas aceleram os protões para mais longe do que o “joelho” do espectro e podem impulsionar núcleos mais pesados unicamente para além desse ponto, também os mais poderosos aceleradores astrofísicos do universo poderão impulsioná-los para fora. Os cientistas poderiam então vislumbrar a verdadeira ponta do espectro dos raios cósmicos: os pontos em que protões e, em seguida o hélio, o carbono e o ferro, maximizam para fora. Medir esta queda vai ajudar a expor a forma como os aceleradores gigantes trabalham – e favorecer determinados candidatos em detrimento doutros.
Os teóricos ainda têm dificuldades em imaginar que qualquer desses candidatos produzam a pitada de partículas na faixa dos 200 EeV ou a partícula Oh-Meu-Deus nos 320 EeV – mesmo se elas forem feitas de ferro. “Como se obtém uma partícula [de 320 EeV] a partir de qualquer teoria não é fácil “, indicou Thomson. “Mas ela estava lá. Aconteceu. “
Mesmo esse facto é posto em causa (notem que a Ciência está sempre a colocar em causa as suas descobertas, contrariamente ao mito vomitado pelos pseudos). No início de 1990, Sommers, que trabalhou temporariamente na Universidade de Utah, ajudou os cientistas da Fly’s Eye a analisar o seu sinal 320-EeV. Mas, embora o “grande evento” (como ele lhe chama) ter sido “muito bem medido pelos padrões da época,” o Fly’s Eye não tinha ainda totalmente feito a transição de ser uma experiência “monocular”, análoga ao olho de uma mosca, em vez de dois (um segundo olho estava em construção); faltava-lhe a precisão e redundância de matrizes estereoscópicas posteriores. Sommers disse que, embora não sejam conhecidas razões sérias para se duvidar da estimativa de energia “, deve-se desconfiar dela agora. Com muito maior tempo de exposição, os novos observatórios, mais precisos, não conseguiram detectar qualquer partícula desse tipo de energia alta. O fluxo de partículas a altas energias deve ser tão baixo que teria sido um golpe de sorte incrível que o olho do Fly tenha detectado uma “.
As margens de erro que balizaram o cálculo da energia da partícula Oh-Meu-Deus podem ter sido na direcção errada, e todas ao mesmo tempo. Se assim for, foi um erro de sorte para a disciplina, motivando novas experiências sem enganar muito os investigadores, uma vez que se seguiram muitas outras partículas trans-GZK. E se a partícula Oh-Meu-Deus foi um erro, bem, isso provavelmente ninguém nunca irá saber.
1 comentário
Isso que é velocidade!