Novos trabalhos de astrofísicos da Universidade Estadual de Michigan podem ajudar a resolver uma questão científica que perdura há mais de um século: de onde vêm os raios cósmicos galácticos?
Os raios cósmicos — partículas de alta energia que se movem perto da velocidade da luz — são conhecidos por advirem tanto da Via Láctea quanto de regiões mais distantes do universo. No entanto, seus pontos de origem específicos permanecem obscuros desde sua descoberta em 1912. Shuo Zhang, professora assistente de física e astronomia na MSU, e sua equipe de pesquisa realizaram dois estudos que oferecem novas pistas sobre onde essas partículas podem ter se formado. Os resultados foram recentemente apresentados na 246ª reunião da Sociedade Astronômica Americana em Anchorage, Alasca.
Essas partículas de movimento rápido podem ter sido criadas em ambientes extremos, como buracos negros, regiões de formação estelar ou os remanescentes de estrelas explodidas. Esses eventos são capazes de gerar neutrinos — partículas minúsculas e quase sem massa que passam constantemente pelo espaço e pela Terra.
“Os raios cósmicos são muito mais relevantes para a vida na Terra do que você pode imaginar,” disse Zhang. “Cerca de 100 trilhões de neutrinos cósmicos de fontes muito distantes, como buracos negros, passam pelo seu corpo a cada segundo. Você não quer saber de onde eles vieram?”
Explorando os Aceleradores de Partículas Mais Extremamente Naturais
As fontes que produzem raios cósmicos são poderosas o suficiente para acelerar prótons ou elétrons a energias muito além do que os aceleradores de partículas mais avançados criados pelo homem podem alcançar. O grupo de Zhang se concentra em entender esses aceleradores naturais, chamados PeVatrons, para determinar o que são, onde estão localizados e como eles impulsionam partículas a tais energias extraordinárias. Obter insights sobre esses processos também pode ajudar os cientistas a abordar perguntas mais amplas sobre a formação de galáxias e a natureza da matéria escura.
Novas Perspectivas a partir de Estudos de Raios-X de Candidatos a PeVatron
Em suas publicações mais recentes, Zhang e seus alunos investigaram candidatos a PeVatron cujas origens ainda não haviam sido identificadas. No primeiro estudo, o pesquisador de pós-doutorado Stephen DiKerby examinou uma fonte de alta energia enigmática encontrada pelo Observatório de Chuva de Ar Superior de Grande Altitude (LHAASO). Embora o LHAASO tenha detectado a fonte, sua verdadeira natureza ainda era desconhecida. Utilizando observações de raios-X do telescópio espacial XMM-Newton, DiKerby identificou uma nebulosa de vento pulsar — uma região em expansão cheia de elétrons energéticos e partículas recebendo energia de um pulsar. Essa descoberta confirmou a candidata como uma fonte de raios cósmicos do tipo nebulosa de vento pulsar. Apenas um pequeno número de PeVatrons foram classificados dessa forma.
Observações Lideradas por Estudantes de Fontes Adicionais do LHAASO
O segundo estudo foi realizado por graduandos da MSU, Ella Were, Amiri Walker e Shaan Karim. Eles usaram o telescópio de raios-X Swift da NASA para examinar sinais de raios-X de várias fontes de raios cósmicos do LHAASO que foram menos estudadas. Ao calcular os limites superiores para a emissão de raios-X, seus resultados podem ajudar a guiar investigações futuras de objetos semelhantes.
“Através da identificação e classificação de fontes de raios cósmicos, nosso esforço pode, esperançosamente, fornecer um catálogo abrangente de fontes de raios cósmicos com classificação,” disse Zhang. “Isso poderia servir como um legado para futuros observatórios de neutrinos e telescópios tradicionais realizarem estudos mais aprofundados sobre os mecanismos de aceleração de partículas.”
Combinando Observações de Neutrinos, Raios-X e Raios Gama
A equipe de Zhang irá, em seguida, examinar fontes de raios cósmicos combinando dados do Observatório de Neutrinos IceCube com resultados de telescópios de raios-X e raios gama. Seu objetivo é entender por que algumas fontes de raios cósmicos emitem neutrinos enquanto outras não, bem como descobrir onde e como esses neutrinos são produzidos.
“Esse trabalho exigirá colaboração entre físicos de partículas e astrônomos,” disse Zhang. “É um projeto ideal para o grupo de física de alta energia da MSU.”
Esta pesquisa é apoiada por diversas bolsas de observação da NASA e pela bolsa de análise do IceCube da Fundação Nacional de Ciências.
