Fermi da NASA confirma "destroço" estelar como fonte de partículas cósmicas extremas

Os astrónomos há muito que procuram os locais de lançamento de alguns dos protões mais energéticos da nossa Galáxia. Agora, um estudo utilizando 12 anos de dados do Telescópio Espacial Fermi da NASA confirma um remanescente de supernova que é exatamente um desses locais.

Esta sequência compara os resultados do Fermi em três gamas de energia. O pulsar J2229+6114 é a fonte brilhante no topo, a ponta norte do remanescente da supernova G106.3+2.7 (delineado a verde). Em cada gama de energia, a sequência mostra primeiro o número de raios-gama e depois as quantidades em excesso em comparação com as expetativas de um modelo de fundo. Cores mais brilhantes indicam números maiores de raios-gama ou quantidades em excesso. Nas energias mais elevadas, surge uma nova fonte de raios-gama, produzida quando os protões acelerados pela onda de choque da supernova atingem uma nuvem de gás próxima. Crédito: NASA/Fermi/Fang et al. 2022

O Fermi mostrou que as ondas de choque de estrelas que explodiram impulsionam as partículas a velocidades comparáveis às da luz. Chamados raios cósmicos, estas partículas assumem principalmente a forma de protões, mas podem incluir núcleos atómicos e eletrões. Dado que transportam uma carga elétrica, os seus percursos tornam-se confusos à medida que atravessam o campo magnético da nossa Galáxia. Uma vez que já não podemos dizer de que direção tiveram origem, isto mascara o seu local de nascimento. Mas quando estas partículas colidem com gás interestelar perto do remanescente de supernova, produzem um brilho em raios-gama - a forma mais energética de luz que existe.

"Os teóricos pensam que os protões mais energéticos dos raios cósmicos na Via Láctea atingem 1x10^15 eV (mil biliões eletrões-volt), ou energias PeV", disse Ke Fang, professora assistente de física na Universidade de Wisconsin, Madison. "A natureza precisa das suas fontes, fontes estas que chamamos 'PeVatrons', tem sido difícil de localizar".

Presas por campos magnéticos caóticos, as partículas atravessam repetidamente a onda de choque da supernova, ganhando velocidade e energia com cada passagem. Eventualmente, o remanescente já não consegue segurá-las e deslocam-se velozmente para o espaço interestelar.

Aceleradas até cerca de 10 vezes a energia reunida pelo acelerador de partículas mais poderoso do mundo, o LHC (Large Hadron Collider), os protões PeV estão à beira de escapar por completo da nossa Galáxia.

Os astrónomos identificaram alguns PeVatrons suspeitos, incluindo um no centro da nossa Galáxia. Naturalmente, os remanescentes de supernova encabeçam a lista de candidatos. No entanto, dos cerca de 300 remanescentes conhecidos, apenas alguns foram encontrados a emitir raios-gama com energias suficientemente elevadas.

Um "destroço" estelar em particular tem merecido muita atenção por parte dos astrónomos de raios-gama. De nome G106.3+2.7, é uma nuvem em forma de cometa localizada a cerca de 2600 anos-luz de distância na direção da constelação de Cefeu. Um pulsar brilhante cobre a extremidade norte do remanescente de supernova e os astrónomos pensam que ambos os objetos se formaram na mesma explosão.

O LAT (Large Area Telescope) do Fermi, o seu instrumento primário, detetou raios-gama na faixa de energias GeV (milhares de milhões eletrões-volt) oriundos da cauda estendida do remanescente (para comparação, a energia da luz visível mede entre 2 e 3 eletrões-volt). O VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) no Observatório Fred Lawrence Whipple, no sul do estado norte-americano do Arizona, registou raios-gama ainda mais energéticos da mesma região. 

E tanto o HAWC (High-Altitude Water Cherenkov Gamma-Ray Observatory) no México como a Tibet AS-Gamma Experiment na China detetaram fotões com energias de 100 TeV (100 biliões eletrões-volt) da área estudada pelo Fermi e pelo VERITAS.

"Este objeto tem sido uma fonte de interesse considerável já há algum tempo, mas para o coroar como PeVatron, temos que provar que está a acelerar protões", explicou o coautor Henrike Fleischhack da Universidade Católica da América em Washington e do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, no estado norte-americano de Maryland.

"O senão é que os eletrões acelerados para algumas centenas de TeV podem produzir a mesma emissão. Agora, com a ajuda de 12 anos de dados Fermi, pensamos ter argumentos suficientes para dizer que G106.3+2.7 é, de facto, um PeVatron".

Um artigo científico que detalha as conclusões, liderado por Fang, foi publicado dia 10 de agosto na revista Physical Review Letters.

O pulsar, J2229+6114, emite os seus próprios raios-gama num feixe parecido ao de um farol enquanto gira, e este brilho domina a região a energias de alguns GeV. A maior parte desta emissão ocorre na primeira metade da rotação do pulsar. A equipa efetivamente desligou o pulsar ao analisar apenas os raios-gama que chegam da última parte do ciclo. Abaixo dos 10 GeV, não há emissão significativa da cauda do remanescente.

Acima desta energia, a interferência do pulsar é insignificante e a fonte adicional torna-se facilmente aparente. A análise detalhada da equipa favorece esmagadoramente os protões PeV como as partículas que conduzem esta emissão de raios-gama.

"Até agora, G106.3+2.7 é único, mas pode revelar-se o membro mais brilhante de uma nova população de remanescentes de supernova que emitem raios-gama e que atingem energias na faixa dos TeV", realça Fang. "Fontes adicionais poderão ser reveladas através de observações futuras pelo Fermi e por observatórios de raios-gama a energias muito altas".

Fonte: Astronommia OnLine