Uma das grandes perguntas da astrofísica moderna é de onde vêm os raios cósmicos mais energéticos do Universo. Agora, um novo estudo da Colaboração do Observatório Pierre Auger, publicado em 9 de dezembro na Physical Review Letters (PRL), traz uma resposta importante: o espectro de energia desses raios é o mesmo em praticamente todas as direções do céu observadas, o que reforça a ideia de que eles têm origem extragaláctica e não provêm de poucas fontes específicas. Entre as cientistas que assinam o artigo publicado na PRL está a professora Carola Dobrigkeit Chinellato (Unicamp), coordenadora dos mais de 15 pesquisadores brasileiros que atuam no projeto.
Os raios cósmicos são partículas, principalmente prótons e núcleos atômicos mais pesados, que viajam pelo espaço quase à velocidade da luz e atingem constantemente a Terra. Suas energias variam enormemente, mas os mais extremos, chamados de raios cósmicos de ultra-alta energia, alcançam valores acima de 10 exa–elétron-volts (EeV), muito além do que qualquer acelerador de partículas construído pelo ser humano consegue produzir.
A cientista Rita de Cássia dos Anjos, professora da Universidade Federal do Paraná – Setor Palotina, explica que, ao estudar como essas partículas se distribuem em energia, o chamado espectro de energia, é possível conseguir pistas tanto sobre sua composição quanto sobre os processos físicos que as aceleram. “Ao longo da última década, dados do Observatório Pierre Auger já haviam revelado estruturas marcantes nesse espectro, batizadas com analogias anatômicas como “tornozelo” (ankle), “peito do pé” (instep) e “dedo do pé” (toe). Em especial, o instep, localizado em torno de 10 EeV, sugeria que, acima dessa energia, o fluxo de raios cósmicos passa a ser dominado por núcleos mais pesados do que o hidrogênio”, explica Rita, que além de participar do Pierre Auger na investigação dos raios-cósmicos, é também especialista em raios gama e integra o projeto do Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO).
Segundo Marric Stephens, editor correspondente da Physics Magazine, em texto de divulgação sobre a pesquisa, esse novo trabalho amplia de forma decisiva os resultados anteriores ao observar uma fração muito maior do céu. A campanha recente utilizou dados coletados pelo Observatório Pierre Auger, na Argentina, que conta com cerca de 3.000 km² cobertos por tanques cheios de água. Quando um raio cósmico atinge a atmosfera, ele gera uma cascata de partículas secundárias, incluindo múons, que produzem radiação Cherenkov ao atravessar os tanques. Sensores instalados nesses detectores permitem reconstruir a energia e a direção da partícula original.
Um desafio importante desse tipo de medição é o efeito do campo magnético da Terra, que dificulta a reconstrução da trajetória dos raios cósmicos quando eles chegam quase paralelos ao horizonte. Por isso, estudos anteriores consideravam apenas eventos com ângulos zenitais menores que 60°. O novo trabalho conseguiu estender essa análise para ângulos de até 80°, o que significa que cerca de 75% de todo o céu passou a ser incluído na observação, um avanço significativo.
O resultado central é que o instep aparece em todas as direções observadas, sem variações significativas com a declinação. Em termos simples, isso quer dizer que o espectro de energia é o mesmo independentemente da região do céu de onde os raios cósmicos chegam. Como destaca Marric Stephens, essa uniformidade espacial indica que a estrutura observada não deve ser causada por algumas poucas fontes peculiares, mas sim por uma grande população de aceleradores distribuídos pelo Universo, fora da Via Láctea, e governados por mecanismos físicos semelhantes.
Essa conclusão é crucial porque ajuda a descartar cenários em que o instep seria consequência da influência de uma ou duas fontes dominantes próximas da Terra. Em vez disso, o resultado favorece modelos nos quais objetos extragalácticos, como núcleos ativos de galáxias ou outros ambientes extremos ainda em debate, aceleram partículas pesadas a energias colossais.
Ao mapear com mais precisão como essas partículas extremas chegam à Terra, o estudo do Observatório Pierre Auger aprofunda nossa compreensão sobre os processos mais energéticos do cosmos e aproxima a astrofísica de responder uma questão essencial: como a natureza consegue acelerar partículas a energias tão extraordinárias, espalhando-as de forma quase homogênea pelo Universo.
(SBF)