O universo está repleto de várias formas de radiação e partículas energéticas que podemos detectar da Terra. Isso inclui fótons que abrangem todo o espectro eletromagnético, desde os mais fracos sinais de rádio até os raios gama mais intensos. Também inclui outros tipos de partículas, como neutrinos e raios cósmicos, que viajam pelo espaço a quase a velocidade da luz.
Curiosamente, os “raios cósmicos” não são, na verdade, raios. O nome vem da história científica antiga, mas na verdade são pequenas partículas — principalmente núcleos atômicos — aceleradas a enormes energias em algum lugar do universo. Suas verdadeiras origens permanecem incertas, mas provavelmente estão ligadas a alguns dos ambientes mais extremos conhecidos, incluindo buracos negros, estrelas em explosão (supernovas) ou estrelas de nêutrons em rotação (um tipo de estrela morta).
De vez em quando, os cientistas detectam raios cósmicos com níveis de energia muito mais altos do que o normal. Eles têm ciência disso desde 1962, mas ainda não descobriram a razão. As fontes dessa radiação cósmica de ultra-alta energia permanecem um dos maiores mistérios da física.
Pesquisadores da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia (NTNU) podem agora estar mais perto de resolver esse mistério.
Buracos negros supermassivos podem ser responsáveis
Foteini Oikonomou, professora associada do Departamento de Física da NTNU, e sua equipe propuseram uma nova e credível explicação para essas misteriosas partículas de alta energia. O estudo foi liderado pelo pesquisador de doutorado Domenik Ehlert, com contribuições do pesquisador pós-doutorado Enrico Peretti da Université Paris Cité. Seu trabalho se concentra na física astroparticulada, que explora como as menores partículas do universo se conectam com os fenômenos maiores e mais poderosos.
“Suspeitamos que essa radiação de alta energia é criada pelos ventos de buracos negros supermassivos,” disse Oikonomou.
Mas o que isso realmente significa?
Como buracos negros ativos criam ventos
A Via Láctea, nossa galáxia, contém um buraco negro central chamado Sagittarius-A*. “Existem buracos negros, como Sagittarius-A*, localizados bem no centro da Via Láctea. Este buraco negro está atualmente em uma fase calma, onde não está consumindo estrelas, pois não há matéria suficiente nas proximidades,” explicou Peretti.
Outras galáxias abrigam buracos negros supermassivos muito mais ativos que consomem matéria equivalente a várias estrelas do Sol a cada ano. “Uma pequena parte da matéria pode ser empurrada para longe pela força do buraco negro antes de ser puxada para dentro. Como resultado, cerca de metade desses buracos negros supermassivos cria ventos que se movem pelo universo a até metade da velocidade da luz,” disse Peretti.
Os astrônomos conhecem esses poderosos fluxos há cerca de uma década. Esses ventos podem moldar galáxias inteiras, empurrando gás e interrompendo a formação de estrelas. No entanto, Oikonomou e seus colegas focaram em uma consequência muito menor — esses ventos podem acelerar partículas a energias extremas.
“É possível que esses poderosos ventos acelerem as partículas que criam a radiação de ultra-alta energia,” disse Ehlert.
Para entender isso, também precisamos explicar um pouco sobre átomos.
Átomos e enormes quantidades de energia
Os átomos consistem em um núcleo, que é feito de prótons e nêutrons. Essas partículas são compostas de quarks, mas não precisamos entrar nesse detalhe por agora.
Um ou mais elétrons podem ser encontrados ao redor desse núcleo na chamada nuvem.
“A radiação de ultra-alta energia consiste em prótons ou núcleos atômicos com energia de até 10²⁰ elétron-volts,” explicou Oikonomou.
Se esse número não significa nada para você, deve saber que, nesse contexto, é uma quantidade absolutamente imensa de energia.
“Uma partícula como essa, que é menor que um átomo, contém cerca da mesma energia que uma bola de tênis quando Serena Williams a serve a 200 quilômetros por hora,” disse Oikonomou.
Isso corresponde a aproximadamente um bilhão de vezes mais energia do que as partículas criadas por pesquisadores no Grande Colisor de Hádrons na Suíça e na França.
Felizmente, esses raios cósmicos são destruídos pela atmosfera da Terra. Quando atingem o nível do solo, são inofensivos, assim como toda a outra radiação cósmica que chega à superfície da Terra.
“Mas para os astronautas, a radiação cósmica é um problema muito sério,” afirmou Oikonomou.
As tripulações de companhias aéreas não precisam se preocupar com isso porque não voam alto o suficiente.
“A principal preocupação para os astronautas é a radiação cósmica de baixa energia produzida pelo nosso próprio Sol, porque é muito mais comum. Os raios que estudamos são suficientemente raros para que seja extremamente improvável que passem por um astronauta,” disse ela.
Outros suspeitos
Anteriormente, pesquisadores investigaram se essas partículas de alta energia vêm de explosões de raios gama, de galáxias que estão criando novas estrelas em uma taxa extremamente alta, ou de fluxos de plasma de buracos negros supermassivos.
No entanto, Oikonomou e seus colegas têm outra hipótese.
“Todas as outras hipóteses são palpites muito bons — são todas fontes que contêm muita energia. Mas ninguém forneceu evidências de que alguma delas seja a fonte. Por isso decidimos investigar os ventos dos buracos negros supermassivos,” disse Ehlert.
Culpados? Talvez
Então, o que realmente sabemos? São os ventos que criam as partículas de alta energia na radiação cósmica?
“Nossa resposta é mais um cauteloso ‘talvez’,” disse Oikonomou.
Isso não soa particularmente dramático. No entanto, quando os pesquisadores fazem perguntas como esta, costumam sentir uma excitação e pensar “SIM, isso pode ser o caso!”, mas isso não significa que seja o caso neste caso.
“Descobrimos que as condições relacionadas a esses ventos se alinham particularmente bem com a aceleração de partículas. Mas ainda não conseguimos provar que são especificamente esses ventos que aceleram as partículas por trás da radiação cósmica de alta energia,” disse Oikonomou.
No entanto, o modelo que os pesquisadores estão usando pode explicar um aspecto específico dessas partículas que ainda não entendemos. Dentro de uma certa faixa de energia, as partículas têm uma composição química que outros modelos não conseguem explicar de maneira significativa.
“Também podemos testar o modelo usando experimentos com neutrinos,” disse Oikonomou.
Isso, entretanto, é algo para um artigo completamente diferente.
“Nos próximos anos, esperamos colaborar com astrônomos de neutrinos para testar nossa hipótese,” disse Oikonomou. Talvez assim eles encontrem mais evidências, de um jeito ou de outro.
