Uma colaboração de astrofísicos chineses e japoneses relatou os fótons de energia mais altos já vistos: raios gama com energias de até 450 trilhões de elétron-volts (TeV).
As partículas de luz foram rastreadas até a nebulosa do Caranguejo, o remanescente de uma explosão estelar observada por astrônomos chineses há quase 1000 anos, e o poderoso pulsar, uma densa estrela de nêutrons, que agora fica no coração da nebulosa. "Sabemos que o ambiente de um pulsar é extremo", diz Geraint Lewis, astrofísico da Universidade de Sydney, na Austrália, que não participou da pesquisa. A questão levantada pela descoberta "é o quão extrema", diz ele. Ele diz que os resultados ajudarão a restringir as ideias sobre como os fótons são impulsionados para essas energias extraordinárias.
O experimento ASgamma do Tibete avistou os fótons usando uma série de cerca de 600 detectores de cintilação, sensores que transformam partículas em sinais eletrônicos. Os detectores estão espalhados por 66.000 metros quadrados em um vale 4300 metros acima do nível do mar no planalto tibetano na China. Quando os raios gama atingem a atmosfera da Terra, criam duchas de ar - espalhando cascatas de elétrons e outras partículas subatômicas. Conforme essas partículas atingem os detectores, o tempo e a energia dos ataques são registrados, permitindo que os astrônomos reconstruam a energia e a trajetória do raio gama original.
O problema é distinguir os raios gama dos raios cósmicos, partículas carregadas que também podem atingir essas energias colossais e criar chuveiros aéreos semelhantes. Felizmente, os chuveiros aéreos provocados pelos raios cósmicos contêm uma proporção maior de múons, primos de vida curta dos elétrons, do que os chuveiros dos raios gama. Os múons podem ser detectados em câmaras de água subterrâneas e usados para distinguir entre eventos de raios gama e raios cósmicos. Os raios gama são valorizados porque viajam pelo cosmos em linhas retas e, assim, apontam de volta para suas fontes. Raios cósmicos, em contraste, são puxados para dentro de trajetos de saca-rolhas por campos magnéticos, tornando suas origens obscuras.
Para melhorar a detecção de múons, a equipe do Tibete ASGamma enterrou detectores de tanques de água a vários metros abaixo do solo em 64 locais ao redor do local em Yangbajing, uma cidade a noroeste de Lhasa no planalto tibetano. Região de 100-TeV, diz Masato Takita, um físico experimental do projeto no Instituto de Pesquisa de Raios Cósmicos da Universidade de Tóquio, em Kashiwa, no Japão. Com os recursos aprimorados, “eu acreditava que poderíamos encontrar resultados que ninguém encontrara antes”, acrescenta Huang Jing, astrofísico do Instituto de Física de Altas Energias da Academia Chinesa de Ciências, em Pequim.
E isso eles fizeram. De fevereiro de 2014 a maio de 2017, a matriz capturou 24 raios gama variando de 100 TeV a 450 TeV provenientes da nebulosa Crab, a equipe de 90 pesquisadores de duas dúzias de relatórios de instituições em um artigo aceito na Physical Review Letters. As greves abalam o detentor do recorde anterior: raios gama de 75-TeV observados pelo experimento High Energy Gamma Ray Astronomy localizado em La Palma, uma das Ilhas Canárias da Espanha.
A modelagem previu a existência de raios gama de alta energia, portanto, embora a descoberta não seja uma surpresa, ela ainda fornece uma confirmação valiosa para suposições pouco apoiadas por observações, diz Felix Aharonian, um astrofísico do Instituto de Estudos Avançados de Dublin.
Os modelos apontam para um processo chamado espalhamento inverso de Compton, no qual o campo magnético do pulsar leva elétrons para energias muito mais altas do que as alcançadas em aceleradores de partículas na Terra. Os elétrons então se chocam com os fótons do ambiente que permeiam o universo como parte do plano de fundo das microondas cósmicas e os enviam para a galáxia. Os fótons "recebem uma enorme quantidade de energia nesse chute", diz Lewis. Os resultados mostram que "a nebulosa do caranguejo é o mais poderoso acelerador de elétrons natural conhecido até agora em nossa galáxia", diz Huang.
Lewis acrescenta que as energias observadas dos fótons de raios gama têm aumentado constantemente graças aos detectores aprimorados. Ele acredita que os buracos negros supermassivos que ficam no centro das galáxias podem ser outra fonte de raios gama de alta energia.
Mais evidências podem estar a caminho com a abertura de novos observatórios. A multinacional Cherenkov Telescope Array pode ser concluída em 2025, e o Observatório de Alta Altitude do Ar de Alta Altitude, uma instalação parcialmente concluída também no Planalto Tibetano, iniciou as observações em abril e deverá estar em alta velocidade no próximo ano.
No momento, no entanto, o experimento Tibet ASgamma está liderando a busca por “PeVatrons” - fontes astrofísicas capazes de acelerar fótons de raios gama e raios cósmicos até um petaeletronvolts, ou 1000 TeV. "Esperamos identificar muitos PeVatrons", diz Huang. Sinais de outras fontes de 100 TeV além da nebulosa do Caranguejo já podem estar escondidos nos dados do experimento ASgamma do Tibete, uma possibilidade que Takita diz estar “atualmente em análise”.
Prof. Sérgio Torres
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