Pequenos buracos negros causam um impacto cósmico

Pela primeira vez, pesquisadores encontraram evidências de que até mesmo microquasares com estrelas de baixa massa podem acelerar partículas eficientemente. Esta descoberta tem implicações significativas para a compreensão da abundância de raios gama no universo e o papel dos microquasares na produção de raios cósmicos. 

Uma estrela e um buraco negro orbitam um ao outro de perto: a massa da estrela é capturada pelo buraco negro. Como consequência disso, um par de jatos é lançado para longe do buraco negro. Crédito: Science Communication Lab para MPIK/HESS

A origem e a aceleração dos raios cósmicos mais energéticos continuam sendo um dos maiores mistérios da física de astropartículas. Jatos de microquasares são altamente eficientes na aceleração de partículas cósmicas, mas até agora isso só foi observado em raros microquasares de alta massa. Pesquisadores agora detectaram aceleração de partículas em microquasares de baixa massa, muito mais comuns, sugerindo que eles contribuem muito mais para o conteúdo geral de raios cósmicos da nossa galáxia do que se pensava anteriormente.

Partículas misteriosas do espaço

A Terra é constantemente bombardeada por partículas do espaço sideral. Embora muitas pessoas estejam familiarizadas com meteoritos rochosos que riscam o céu como estrelas cadentes, as menores partículas detêm a chave para entender o universo. Partículas subatômicas como elétrons e prótons, viajando a velocidades incríveis do espaço interestelar e além, estão entre as partículas de movimento mais rápido conhecidas. Essas partículas de alta energia são chamadas de raios cósmicos.

Apesar de décadas de pesquisa, as origens e mecanismos de aceleração dos raios cósmicos mais energéticos continuam sendo um grande mistério na astrofísica. Cientistas suspeitam que jatos de matéria em movimento rápido, ejetados de buracos negros, podem ser locais privilegiados para aceleração de partículas. No entanto, as condições exatas que permitem que essas partículas atinjam velocidades tão extremas ainda não estão claras.

Os jatos mais poderosos em nossa galáxia vêm de microquasares — sistemas que consistem em um buraco negro de massa estelar e uma estrela comum. À medida que os dois orbitam um ao outro, o buraco negro gradualmente puxa material de seu companheiro. Esse processo desencadeia a formação de jatos poderosos perto do buraco negro, lançando partículas no espaço quase na velocidade da luz.

Todos os microquasares aceleram partículas?

Nos últimos dois anos, tem havido evidências crescentes de que jatos de microquasares são aceleradores de partículas eficientes. No entanto, não está claro o quanto eles contribuem, como um grupo, para a quantidade total de raios cósmicos na Galáxia. A resposta a essa pergunta requer entender se todos os microquasares são capazes de acelerar partículas ou apenas alguns sortudos.

Os microquasares são geralmente classificados dependendo da massa da estrela no sistema em sistemas de "baixa massa" ou "alta massa", com sistemas de menor massa sendo muito mais abundantes. No entanto, até agora, evidências de aceleração de partículas só foram encontradas para sistemas de alta massa. Por exemplo, o microquasar SS 433, que foi recentemente revelado como um dos mais poderosos aceleradores de partículas da Galáxia , contém uma estrela com uma massa aproximadamente dez vezes maior que a do Sol. Consequentemente, acreditava-se geralmente que os microquasares de baixa massa não eram poderosos o suficiente para produzir raios gama.

Uma descoberta inovadora com dados Fermi

A Dra. Laura Olivera-Nieto do Max-Planck-Institut für Kernphysik em Heidelberg, Alemanha (MPIK) e o Dr. Guillem Martí-Devesa da Università di Trieste, Itália, fizeram uma descoberta que abala esse paradigma. Eles usaram 16 anos de dados do detector do Telescópio de Grande Área a bordo do satélite Fermi da NASA para revelar um sinal fraco de raios gama consistente com a posição de GRS 1915+105, um microquasar com uma estrela menor que o Sol. O sinal de raios gama é medido para ter energias maiores que 10 GeV, indicando que o sistema poderia acelerar partículas para energias ainda maiores.

As observações favorecem um cenário em que os prótons são acelerados nos jatos, depois dos quais eles escapam e interagem com gás próximo para produzir fótons de raios gama. No artigo, publicado no Astrophysical Journal Letters , eles também usam dados do radiotelescópio Nobeyama de 45 metros no Japão, o que indica que há material de gás suficiente ao redor da fonte para esse cenário.

Implicações para os estudos dos raios cósmicos

Este resultado mostra que mesmo microquasares que hospedam uma estrela de baixa massa são capazes de aceleração de partículas. Como esta é a classe mais numerosa, esta descoberta tem implicações significativas para a contribuição estimada de microquasares como um grupo para o conteúdo de raios cósmicos da nossa Galáxia. No entanto, mais detecções e estudos multicomprimento de onda serão necessários para estreitar ainda mais o motivo pelo qual alguns sistemas aceleram partículas de forma eficiente, mas não todos.

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