Os resultados do marco divulgados pelo Observatório de Grande Altitude para Chuvas de Ar Cósmico (LHAASO) em 16 de novembro finalmente esclareceram um enigma de décadas na astrofísica: a queda incomum nas contagens de raios cósmicos acima de 3 PeV, que produz o que os cientistas chamam de “joelho” no espectro de energia dos raios cósmicos.
A causa dessa acentuada declínio permanece um mistério desde que foi identificada pela primeira vez há quase 70 anos. Pesquisadores suspeitavam há muito que o recurso reflete as energias mais altas que as fontes de raios cósmicos podem alcançar, marcando uma mudança no espectro de um comportamento de lei de potência para outro.
Micro-quasares surgem como a provável origem do “joelho”
Dois novos estudos — publicados na National Science Review e na Science Bulletin — agora apontam para micro-quasares alimentados pela acreção de buracos negros como a principal explicação. Esses estudos mostram que esses sistemas compactos atuam como aceleradores de partículas extremamente poderosos dentro da Via Láctea e podem plausivelmente gerar as energias associadas ao “joelho”. As descobertas também aprofundam a compreensão científica de como sistemas de buracos negros impulsionam processos físicos extremos.
A equipe de pesquisa incluiu cientistas do Instituto de Física de Altas Energias da Academia Chinesa de Ciências (CAS), da Universidade de Nanjing, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China da CAS, da Universidade La Sapienza de Roma e de várias outras instituições.
LHAASO detecta emissão de ultra-alta energia de cinco micro-quasares
Buracos negros em sistemas binários puxam matéria de estrelas companheiras, criando jatos relativísticos que transformam esses sistemas em “micro-quasares”. O LHAASO agora detectou raios gama de ultra-alta energia de cinco desses objetos: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 e Cygnus X-1. Essa marca a primeira vez que essas fontes foram sistematicamente observadas em energias tão altas.
Um dos resultados mais impressionantes vem do SS 433, onde os raios gama detectados se sobrepõem a uma enorme nuvem atômica. Isso indica fortemente que o buraco negro acelera prótons de alta energia, que então colidem com o material circundante. As energias dos prótons em SS 433 ultrapassaram 1 PeV, e a potência total atingiu aproximadamente 1032 joules por segundo, um nível comparável à energia liberada a cada segundo por quatro trilhões das mais poderosas bombas de hidrogênio. Outro micro-quasar, V4641 Sgr, produziu raios gama que atingiram 0,8 PeV, identificando-o como outro “acelerador de partículas super PeV”. As partículas parentais por trás desses raios gama carregavam energias acima de 10 PeV.
Essas observações confirmam que micro-quasares são capazes de acelerar partículas a níveis de PeV em toda a Via Láctea. Isso resolve uma tensão de longa data na pesquisa de raios cósmicos: enquanto se sabe que remanescentes de supernovas produzem raios cósmicos, tanto dados quanto teorias sugerem que eles não podem explicar as energias vistas no “joelho” e acima dele.
LHAASO mede energias de prótons que antes se pensava serem impossíveis de isolar
Para entender toda a situação, são necessárias medições precisas dos espectros de energia de diferentes espécies de raios cósmicos e seus respectivos “joelhos”. Medir o espectro de prótons (os núcleos mais leves) é o primeiro e mais crucial passo. No entanto, prótons na faixa de energia do “joelho” são extremamente raros, e detectores de satélites têm cobertura limitada, tornando tais observações extraordinariamente desafiadoras. Métodos baseados em solo introduzem interferência atmosférica, que historicamente tornou quase impossível distinguir prótons de núcleos mais pesados.
Usando suas instalações avançadas de detecção de raios cósmicos, o LHAASO desenvolveu técnicas de análise multiparamétrica que permitiram aos pesquisadores identificar uma amostra estatisticamente grande e altamente pura de prótons. Isso possibilitou uma medição precisa de seu espectro de energia que rivaliza com a precisão de instrumentos baseados em satélites. Os resultados revelaram uma estrutura inesperada: em vez de uma transição suave entre comportamentos de lei de potência, o espectro de prótons contém um novo “componente de alta energia” distinto.
Múltiplos aceleradores cósmicos moldam o ambiente de partículas da Via Láctea
Quando combinados com dados de prótons do satélite AMS-02 em energias mais baixas e medições de energia intermediária do DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), os resultados mostram que a Via Láctea abriga múltiplos tipos de aceleradores. Cada um tem seu próprio limite de energia característico. O “joelho” marca a energia máxima alcançada por fontes que produzem o novo componente de alta energia identificado.
A estrutura intrincada do espectro de prótons sugere que raios cósmicos de PeV são produzidos principalmente por “novas fontes”, como micro-quasares, que podem acelerar partículas a energias significativamente mais altas do que remanescentes de supernovas. Essa capacidade permite que eles gerem as partículas responsáveis pelo “joelho” e aquelas que se estendem além dele.
Sistemas de jatos de buracos negros ligados diretamente ao “joelho” dos raios cósmicos
Juntas, as descobertas formam uma explicação consistente. Elas resolvem a origem há muito debatida do “joelho” e fornecem evidências observacionais convincentes para o papel dos sistemas de buracos negros na produção de raios cósmicos.
A rede de detectores híbridos do LHAASO permite tanto a detecção de raios gama de alta energia de aceleradores cósmicos quanto medições precisas dos raios cósmicos que chegam ao espaço próximo da Terra. Essa capacidade dual oferece novas percepções sobre os limites de aceleração de fontes astrofísicas e as assinaturas espectrais que elas contribuem. Pela primeira vez, os cientistas foram capazes de conectar diretamente o “joelho” a uma classe específica de objetos: sistemas de jatos de buracos negros.
O LHAASO, projetado, construído e operado por cientistas chineses, se tornou um líder global em pesquisa de raios cósmicos de alta energia devido à sua sensibilidade excepcional em astronomia de raios gama e medições precisas de raios cósmicos. Suas conquistas continuam a expandir a compreensão dos processos mais extremos do universo.
