Os resultados de um marco divulgados pelo Grande Observatório de Chuvas Cósmicas em Altitude Elevada (LHAASO) em 16 de novembro finalmente esclareceram um enigma que perdura há décadas na astrofísica: a queda incomum nas contagens de raios cósmicos acima de 3 PeV, que produz o que os cientistas chamam de “joelho” no espectro de energia dos raios cósmicos.
A causa desse forte declínio permaneceu uma incógnita desde que foi identificada pela primeira vez há quase 70 anos. Pesquisadores suspeitavam há muito que essa característica reflete as energias mais altas que as fontes de raios cósmicos podem atingir, marcando uma transição no espectro de um comportamento em lei de potência para outro.
Micro-quasares surgem como a origem provável do “joelho”
Dois novos estudos — publicados na National Science Review e na Science Bulletin — agora apontam para micro-quasares alimentados pela acreção de buracos negros como a explicação mais plausível. Esses estudos mostram que esses sistemas compactos atuam como aceleradores de partículas extremamente poderosos dentro da Via Láctea e podem gerar plausivelmente as energias associadas ao “joelho”. As descobertas também aprofundam a compreensão científica de como os sistemas de buracos negros impulsionam processos físicos extremos.
A equipe de pesquisa incluiu cientistas do Instituto de Física de Altas Energias da Academia Chinesa de Ciências (CAS), da Universidade de Nanjing, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China da CAS, da Universidade La Sapienza de Roma e de várias outras instituições.
LHAASO detecta emissão de ultra-alta energia de cinco micro-quasares
Buracos negros em sistemas binários absorvem matéria de estrelas acompanhantes, criando jatos relativísticos que transformam esses sistemas em “micro-quasares”. O LHAASO agora detectou raios gama de ultra-alta energia de cinco desses objetos: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 e Cygnus X-1. Esta é a primeira vez que essas fontes foram sistematicamente observadas em energias tão altas.
Um dos resultados mais impressionantes vem de SS 433, onde os raios gama detectados se sobrepõem a uma nuvem atômica massiva. Isso indica fortemente que o buraco negro acelera prótons de alta energia, que então colidem com o material circundante. As energias dos prótons em SS 433 ultrapassaram 1 PeV, e a potência total atingiu aproximadamente 1032 joules por segundo, um nível comparável à energia liberada a cada segundo por quatro trilhões das bombas de hidrogênio mais poderosas. Outro micro-quasar, V4641 Sgr, produziu raios gama com energias de até 0,8 PeV, identificando-o como outro “acelerador de partículas super PeV”. As partículas parentais por trás desses raios gama carregavam energias acima de 10 PeV.
Essas observações confirmam que micro-quasares são capazes de acelerar partículas a níveis de PeV por toda a Via Láctea. Isso resolve uma tensão que perdura na pesquisa sobre raios cósmicos: enquanto se sabe que resíduos de supernovas produzem raios cósmicos, tanto dados quanto teorias sugerem que não podem explicar as energias vistas no “joelho” e acima dele.
LHAASO mede energias de prótons antes consideradas impossíveis de isolar
Compreender o panorama completo requer medições precisas dos espectros de energia de diferentes espécies de raios cósmicos e seus respectivos “joelhos”. Medir o espectro de prótons (os núcleos mais leves) é o primeiro e mais crucial passo. No entanto, prótons na faixa de energia do “joelho” são extremamente raros, e detectores de satélite têm cobertura limitada, tornando tais observações extraordinariamente desafiadoras. Métodos baseados no solo introduzem interferência atmosférica, o que historicamente tornou quase impossível distinguir prótons de núcleos mais pesados.
Usando suas avançadas instalações de detecção de raios cósmicos, o LHAASO desenvolveu técnicas de análise multiparamétrica que permitiram aos pesquisadores identificar uma amostra estatisticamente grande e altamente pura de prótons. Isso possibilitou uma medição precisa de seu espectro de energia que rivaliza com a precisão de instrumentos baseados em satélites. Os resultados revelaram uma estrutura inesperada: em vez de uma transição suave entre comportamentos em lei de potência, o espectro de prótons contém um novo “componente de alta energia” distinto.
Múltiplos aceleradores cósmicos moldam o ambiente de partículas da Via Láctea
Quando combinados com dados de prótons do satélite AMS-02 em energias mais baixas e medições de energia intermediária do explorador de partículas de matéria escura (DAMPE), os resultados mostram que a Via Láctea abriga múltiplos tipos de aceleradores. Cada um possui seu próprio limite de energia característico. O “joelho” marca a energia máxima alcançada por fontes que produzem o recém-identificado componente de alta energia.
A intricada estrutura do espectro de prótons sugere que os raios cósmicos de PeV são amplamente produzidos por “novas fontes”, como micro-quasares, que podem acelerar partículas a energias significativamente mais altas do que os resíduos de supernovas. Essa capacidade permite que eles gerem as partículas responsáveis pelo “joelho” e aquelas que se estendem além dele.
Sistemas de jato de buracos negros ligados diretamente ao “joelho” dos raios cósmicos
Em conjunto, as descobertas formam uma explicação consistente. Elas resolvem a origem há muito debatida do “joelho” e fornecem evidências observacionais convincentes do papel dos sistemas de buracos negros na produção de raios cósmicos.
A rede híbrida de detectores do LHAASO possibilita tanto a detecção de raios gama de alta energia de aceleradores cósmicos quanto medições precisas dos raios cósmicos que chegam ao espaço próximo da Terra. Essa dupla capacidade oferece novas percepções sobre os limites de aceleração das fontes astrofísicas e as assinaturas espectrais que elas contribuem. Pela primeira vez, os cientistas conseguiram conectar diretamente o “joelho” a uma classe específica de objetos: sistemas de jato de buracos negros.
O LHAASO, projetado, construído e operado por cientistas chineses, tornou-se um líder global na pesquisa de raios cósmicos de alta energia devido à sua sensibilidade excepcional na astronomia de raios gama e medições precisas de raios cósmicos. Seus feitos continuam a expandir a compreensão dos processos mais extremos do universo.
