Uma característica universal descoberta em todos os raios cósmicos

A missão internacional de observação de raios cósmicos revelou uma característica fundamental desses raios, marcando um grande avanço na compreensão de sua origem. 

Os raios cósmicos são compostos principalmente de prótons, mas também contêm núcleos de hélio, carbono, oxigênio e ferro. © Academia Chinesa de Ciências

Um século após sua descoberta, os raios cósmicos — essas partículas extremamente energéticas provenientes dos confins do universo — permanecem um mistério para os cientistas. O telescópio espacial DAMPE ( Dark Matter Particle Explorer ) está investigando esse fenômeno, explorando particularmente o papel que a matéria escura pode desempenhar em sua formação.

Esta missão internacional, que inclui a Universidade de Genebra (UNIGE), alcançou um importante avanço ao destacar uma característica universal desses raios. Os resultados foram publicados na revista Nature .

Os raios cósmicos são as partículas mais energéticas observadas no universo, superando em muito a energia das partículas produzidas por aceleradores artificiais na Terra. Sua origem exata ainda está sendo estudada, e acredita-se que se originem de fenômenos astrofísicos extremos, como supernovas, jatos de buracos negros ou pulsares.

O telescópio espacial DAMPE, lançado em dezembro de 2015, deverá fornecer respostas sobre a origem e a natureza dos raios cósmicos. Esta missão espacial, para a qual o Grupo de Física de Astropartículas do Departamento de Física Nuclear e de Partículas (DPNC) da Universidade de Genebra (UNIGE) é um dos principais colaboradores, anuncia hoje um avanço crucial.

Graças à análise de medições de alta precisão coletadas pelo telescópio, os cientistas conseguiram identificar uma característica universal nos espectros de energia dos núcleos primários dos raios cósmicos, desde prótons até ferro.

"Os raios cósmicos são compostos principalmente de prótons, mas também de núcleos de hélio, carbono, oxigênio e ferro", explica Andrii Tykhonov, professor associado do Departamento de Física Nuclear e de Partículas da Seção de Física da Faculdade de Ciências da Universidade de Genebra (UNIGE) e coautor do estudo.

"Esses raios também se distribuem de acordo com sua energia: baixa, até alguns bilhões de elétron-volts; intermediária, de alguns bilhões a várias centenas de bilhões de elétron-volts; e alta, a partir de 1 trilhão de elétron-volts."

Esses resultados representam um passo importante para uma compreensão mais completa da origem dos raios cósmicos e dos mecanismos que regem sua propagação.

Uma nova característica comum

Os resultados mostram que, para todos os núcleos estudados, o número de partículas diminui cada vez mais rapidamente a partir de um determinado valor. Esse fenômeno é chamado de "suavização espectral". Normalmente, o número de partículas já diminui com o aumento da energia, mas, neste caso, essa diminuição torna-se ainda mais acentuada. Ela ocorre em torno de uma rigidez de aproximadamente 15 teravolts (TV).

A rigidez de uma partícula mede a resistência de sua trajetória a um campo magnético. A observação de uma estrutura comum associada a essa rigidez apoia fortemente os modelos que explicam como a aceleração e o transporte de raios cósmicos dependem da rigidez da partícula.

Por outro lado, modelos alternativos, que sugerem que a energia por nucleon (a energia dividida pelo número de nucleons na partícula) é um fator chave, são fortemente invalidados por essas medições, com uma certeza de 99,999%.

A equipe de Genebra desempenhou um papel central nessa descoberta científica. Em particular, desenvolveu técnicas avançadas de inteligência artificial para reconstruir eventos detectados e contribuiu para medições importantes de fluxos de prótons e hélio, bem como para análises de carbono.

O grupo também liderou o desenvolvimento de um dos principais subdetectores do DAMPE, o Rastreador de Silício-Tungstênio (STK), um instrumento essencial para a reconstrução precisa das trajetórias das partículas e a medição de sua carga.

Esses resultados representam um passo importante para uma compreensão mais completa da origem dos raios cósmicos e dos mecanismos que governam sua propagação na Galáxia. Elas fornecem novas restrições experimentais aos modelos de aceleração em fontes astrofísicas e ao transporte de partículas no meio interestelar, abrindo assim caminho para uma descrição mais precisa das populações de partículas de alta energia.

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