Novos trabalhos de astrofísicos da Universidade Estadual de Michigan podem ajudar a resolver uma questão científica que persiste há mais de um século: de onde vêm os raios cósmicos galácticos?
Os raios cósmicos — partículas de alta energia que se movem próximas à velocidade da luz — são conhecidos por chegar de dentro da Via Láctea e de regiões mais distantes do universo. No entanto, seus pontos de origem específicos ainda permanecem incertos desde sua descoberta em 1912. Shuo Zhang, professora assistente de física e astronomia na MSU, e sua equipe de pesquisa conduziram dois estudos que oferecem novas pistas sobre onde essas partículas podem ter se originado. Os resultados foram recentemente apresentados na 246ª reunião da Sociedade Astronômica Americana em Anchorage, Alasca.
Essas partículas em 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 diminutas, quase sem massa, que constantemente passam pelo espaço e pela Terra.
“Os raios cósmicos são muito mais relevantes para a vida na Terra do que você pode pensar”, disse Zhang. “Cerca de 100 trilhões de neutrinos cósmicos de fontes distantes, como buracos negros, passam pelo seu corpo a cada segundo. Você não quer saber de onde eles vêm?”
Explorando os Aceleradores de Partículas Mais Extremos da Natureza
Fontes que produzem raios cósmicos são poderosas o suficiente para impulsionar prótons ou elétrons a energias muito além do que os aceleradores de partículas mais avançados feitos 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 impulsionam partículas a energias extraordinárias. Ganhar insights sobre esses processos também pode ajudar os cientistas a abordar questões 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 intrigante encontrada pelo Observatório de Grande Altitude para Chuvas de Aerossóis (LHAASO). Embora o LHAASO tivesse detectado a fonte, sua verdadeira natureza ainda era desconhecida. Usando observações de raios X do telescópio espacial XMM-Newton, DiKerby identificou uma nebulosa de vento de pulsar — uma região em expansão preenchida com elétrons energéticos e partículas recebendo energia de um pulsar. Essa descoberta confirmou o candidato como uma fonte de raios cósmicos do tipo nebulosa de vento de pulsar. Apenas um pequeno número de PeVatrons foram classificados dessa maneira.
Observações de Estudantes de Fontes Adicionais do LHAASO
O segundo estudo foi conduzido por alunos de graduação 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 menos estudadas. Ao calcular limites superiores para a emissão de raios X, seus resultados podem ajudar a orientar investigações futuras de objetos semelhantes.
“Ao identificar e classificar 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 para realizar estudos mais aprofundados nos mecanismos de aceleração de partículas.”
Combinando Observações de Neutrinos, Raios X e Raios Gama
A equipe de Zhang examinará a seguir as fontes de raios cósmicos ao combinar 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 identificar 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 altas energias da MSU.”
Esta pesquisa é apoiada por várias concessões de observação da NASA e a concessão de análise do IceCube da Fundação Nacional de Ciências.
