Em 1991, o experimento Fly’s Eye da Universidade de Utah detectou o raio cósmico de maior energia já observado. Mais tarde apelidada de partícula Oh-My-God, a energia do raio cósmico chocou os astrofísicos. Nada em nossa galáxia tinha o poder de produzi-la, e a partícula tinha mais energia do que era teoricamente possível para os raios cósmicos que chegavam à Terra vindos de outras galáxias. Em termos simples, a partícula não deveria existir.
Desde então, o telescópio Array observou mais de 30 raios cósmicos de energia ultra-alta, embora nenhum tenha se aproximado do nível de energia Oh-My-God. Nenhuma observação revelou ainda sua origem ou como eles conseguem chegar à Terra.
Em 27 de maio de 2021, um experimento detectou o segundo maior raio cósmico de energia extrema. Com 2,4 x 1020eV, a energia dessa única partícula subatômica é equivalente a deixar cair um tijolo no dedo do pé a partir da altura da cintura. Liderado pela Universidade de Utah (U) e pela Universidade de Tóquio, o experimento utilizou o telescópio Array, que consiste em 507 estações detectoras de superfície dispostas em uma grade quadrada que cobre 700 km.
O evento acionou 23 detectores na região noroeste do telescópio Array, espalhando-se por 48 km. Sua direção de chegada parecia ser do Vazio Local, uma área vazia do espaço que faz fronteira com a galáxia Via Láctea.
“As partículas são de energia tão alta que não deveriam ser afetadas por campos magnéticos galácticos e extragalácticos. Você deveria ser capaz de apontar de onde elas vêm no céu”, disse John Matthews, co-porta-voz do telescópio Array na Universidade de Utah e coautor do estudo. “Mas no caso da partícula Oh-My-God e dessa nova partícula, você traça sua trajetória até a fonte e não há nada com energia alta o suficiente para produzi-la. Esse é o mistério disso – o que diabos está acontecendo?”
Em sua observação publicada na revista Science, uma colaboração internacional de pesquisadores descreve o raio cósmico de energia ultra-alta, avalia suas características e conclui que o raro fenômeno pode ser resultado de física de partículas desconhecida pela ciência.
Os pesquisadores deram a ela o nome de partícula Amaterasu, em homenagem à deusa do sol da mitologia japonesa. As partículas Oh-My-God e Amaterasu foram detectadas usando diferentes técnicas de observação, confirmando que, embora raros, esses eventos de energia ultra-alta são reais.
“Esses eventos parecem estar vindo de lugares completamente diferentes no céu. Não é como se houvesse uma única fonte misteriosa”, disse John Belz, professor da Universidade de Utah e coautor do estudo. “Poderia ser defeitos na estrutura do espaço-tempo, colisão de cordas cósmicas. Quero dizer, estou apenas cuspindo ideias malucas que as pessoas estão inventando porque não há uma explicação convencional.”
Aceleradores de partículas naturais
Os raios cósmicos são ecos de eventos celestiais violentos que reduziram a matéria às suas estruturas subatômicas e a lançaram pelo universo quase à velocidade da luz. Essencialmente, os raios cósmicos são partículas carregadas com uma ampla gama de energias que consistem em prótons positivos, elétrons negativos ou núcleos atômicos inteiros que viajam pelo espaço e chovem na Terra quase constantemente.
Os raios cósmicos atingem a atmosfera superior da Terra e destroem o núcleo do gás oxigênio e nitrogênio, gerando muitas partículas secundárias. Essas percorrem uma curta distância na atmosfera e repetem o processo, formando uma chuva de bilhões de partículas secundárias que se espalham pela superfície. A pegada dessa chuva secundária é enorme e exige que os detectores cubram uma área tão grande quanto a do telescópio Array. Os detectores de superfície utilizam um conjunto de instrumentação que fornece aos pesquisadores informações sobre cada raio cósmico; o tempo do sinal mostra sua trajetória e a quantidade de partículas carregadas que atingem cada detector revela a energia da partícula primária.
Como as partículas têm uma carga, sua trajetória de voo assemelha-se a uma bola em uma máquina de pinball enquanto ziguezagueiam contra os campos eletromagnéticos através do fundo cósmico de micro-ondas. É quase impossível rastrear a trajetória da maioria dos raios cósmicos, que se encontram na extremidade baixa e média do espectro de energia. Até mesmo os raios cósmicos de alta energia são distorcidos pela radiação de fundo de micro-ondas. As partículas com energia de Oh-My-God e Amaterasu atravessam o espaço intergaláctico relativamente sem se curvar. Somente os eventos celestiais mais poderosos podem produzi-las.
“Coisas que as pessoas consideram energéticas, como supernovas, não são nem de longe energéticas o suficiente para isso. São necessárias enormes quantidades de energia e campos magnéticos muito altos para confinar a partícula enquanto ela é acelerada”, disse Matthews.
Os raios cósmicos de energia ultra-alta devem exceder 5 x 1019 eV. Isso significa que uma única partícula subatômica carrega a mesma energia cinética de uma bola rápida de um arremessador da liga principal e tem dezenas de milhões de vezes mais energia do que qualquer acelerador de partículas feito pelo homem pode alcançar.
Os astrofísicos calcularam esse limite teórico, conhecido como limite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK), como a energia máxima que um próton pode manter viajando por longas distâncias antes que o efeito das interações da radiação de fundo de micro-ondas retire sua energia.
As fontes candidatas conhecidas, como núcleos galácticos ativos ou buracos negros com discos de acreção que emitem jatos de partículas, tendem a estar a mais de 160 milhões de anos-luz de distância da Terra. O valor de 2,4 x 1020 eV da nova partícula e o valor de 3,2 x 1020 eV da partícula Oh-My-God ultrapassam facilmente o limite.
Os pesquisadores também analisam a composição dos raios cósmicos em busca de pistas sobre suas origens. Uma partícula mais pesada, como os núcleos de ferro, é mais pesada, tem mais carga e é mais suscetível a se dobrar em um campo magnético do que uma partícula mais leve feita de prótons de um átomo de hidrogênio. A nova partícula é provavelmente um próton. A física de partículas determina que um raio cósmico com energia além do ponto de corte GZK é poderoso demais para que o fundo de micro-ondas distorça seu caminho, mas o rastreamento de sua trajetória aponta para o espaço vazio.
“Talvez os campos magnéticos sejam mais fortes do que pensávamos, mas isso não está de acordo com outras observações que mostram que eles não são fortes o suficiente para produzir uma curvatura significativa nessas energias de 1020 elétron-volt”, disse Belz. “É um verdadeiro mistério.”
Expansão da área de cobertura
O telescópio Array está posicionado de forma exclusiva para detectar raios cósmicos de ultra-alta energia energia. Ele fica a cerca de 1.200 m, o ponto ideal de elevação que permite o desenvolvimento máximo de partículas secundárias, mas antes que elas comecem a se decompor. Sua localização no Deserto Ocidental de Utah proporciona condições atmosféricas ideais de duas maneiras: o ar seco é crucial porque a umidade absorverá a luz ultravioleta necessária para a detecção; e o céu escuro da região é essencial, pois a poluição luminosa criará muito ruído e obscurecerá os raios cósmicos.
Os astrofísicos ainda estão perplexos com o fenômeno misterioso. O telescópio Array está no meio de uma expansão que, esperam, ajudará a solucionar o caso. Uma vez concluídos, 500 novos detectores cintiladores expandirão o telescópio Array para coletar amostras de chuvas de partículas induzidas por raios cósmicos em 2.900 km. Espera-se que a maior área de cobertura capture mais eventos que possam esclarecer o que está acontecendo.
