Resultados marcantes divulgados em 16 de novembro pelo Large High-Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) finalmente esclarecem um enigma de décadas na astrofísica: uma queda anormal na contagem de raios cósmicos de mais de 3 PeV, criando o que os cientistas chamam de “ponto de inflexão” no espectro de energia dos raios cósmicos.
A causa deste declínio dramático tem sido um mistério desde que foi descoberto há quase 70 anos. Os investigadores há muito que suspeitam que esta característica reflecte a energia mais elevada que uma fonte de raios cósmicos pode atingir, marcando uma transição no espectro de um comportamento de lei de potência para outro.
Microquasares podem ser a origem do ‘joelho’
Dois novos estudos – publicados em revisão científica nacional e boletim científico ——Microquasares impulsionados pela acreção de buracos negros são agora usados como a principal explicação. Estes estudos mostram que estes sistemas compactos actuam como aceleradores de partículas extremamente poderosos dentro da Via Láctea e podem gerar energias relacionadas com “joelhos”. As descobertas também aprofundam a compreensão científica de como os sistemas de buracos negros conduzem processos físicos extremos.
A equipe de pesquisa inclui cientistas do Instituto de Física de Altas Energias da Academia Chinesa de Ciências, da Universidade de Nanjing, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, da Universidade de La Sapienza em Roma e de outras instituições.
LHAASO detecta emissões de energia ultra-alta de cinco microquasares
Buracos negros em sistemas estelares binários sugam material de suas estrelas companheiras, criando jatos relativísticos que transformam esses sistemas em “mini quasares”. O LHAASO detectou até agora raios gama de energia ultra-alta de cinco desses objetos: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 e Cygnus X-1. Isto marca a primeira vez que estas fontes foram sistematicamente observadas em energias tão elevadas.
Um dos resultados mais impressionantes vem do SS 433, onde foram detectados raios gama sobrepostos a uma nuvem gigante de átomos. Isto sugere fortemente que o buraco negro acelera prótons de alta energia, que então colidem com a matéria circundante. A energia do próton no SS 433 excede 1 PeV, e a potência total atinge cerca de 1.032 Joules por segundo, um nível equivalente à energia liberada por segundo por 4 trilhões das mais poderosas bombas de hidrogênio. Outro microquasar, V4641 Sgr, produz raios gama atingindo 0,8 PeV, chamando-o de outro “acelerador de partículas super PeV”. As partículas parentais por trás desses raios gama carregam energias superiores a 10 PeV.
Estas observações confirmam que os microquasares são capazes de acelerar partículas na Via Láctea até níveis PeV. Isto resolve uma tensão de longa data na investigação dos raios cósmicos: embora se saiba que os remanescentes de supernovas produzem raios cósmicos, tanto os dados como a teoria sugerem que não podem explicar a energia vista no Joelho e acima dele.
LHAASO mede energias de prótons antes consideradas impossíveis de separar
Compreender o quadro completo requer medições precisas dos espectros de energia de diferentes espécies de raios cósmicos e seus respectivos “joelhos”. Medir o espectro de um próton (o núcleo atômico mais leve) é o primeiro e mais crítico passo. No entanto, os prótons na faixa de energia do “joelho” são extremamente raros e a cobertura limitada dos detectores de satélite torna tais observações extremamente desafiadoras. Os métodos terrestres introduzem interferência atmosférica que historicamente tornou quase impossível distinguir entre prótons e núcleos mais pesados.
A LHAASO usou suas instalações avançadas de detecção de raios cósmicos para desenvolver técnicas de análise multiparâmetros que permitem aos pesquisadores identificar amostras de prótons estatisticamente grandes e altamente puras. Isto permite medições precisas dos seus espectros de energia com uma precisão comparável à dos instrumentos de satélite. Os resultados revelaram uma estrutura inesperada: em vez de uma transição suave entre comportamentos de lei de potência, o espectro de prótons continha um novo e único “componente de alta energia”.
Vários aceleradores cósmicos moldam o ambiente de partículas da galáxia
Combinando dados de prótons de baixa energia do satélite AMS-02 e medições de média energia do Dark Matter Particle Explorer (DAMPE), os resultados indicam que a Via Láctea possui vários tipos de aceleradores. Cada um tem seus próprios limites de energia exclusivos. O “ponto de inflexão” marca a energia máxima alcançada pela fonte que produz o componente de alta energia recentemente identificado.
A estrutura complexa dos espectros de prótons sugere que os raios cósmicos PeV são produzidos principalmente por “novas fontes”, como microquasares, que podem acelerar partículas a energias muito mais altas do que os remanescentes de supernovas. Essa habilidade lhes permite gerar partículas responsáveis pelo “joelho” e que se estendem além do “joelho”.
Sistema de jato de buraco negro conectado diretamente ao ‘joelho’ de raios cósmicos
Juntas, essas descobertas formam uma explicação consistente. Eles resolvem a origem do “joelho”, há muito debatida, e fornecem evidências observacionais convincentes do papel dos sistemas de buracos negros na produção de raios cósmicos.
O conjunto de detectores híbridos do LHAASO pode detectar raios gama de alta energia de aceleradores cósmicos e medir com precisão os raios cósmicos que atingem o espaço próximo à Terra. Esta dupla funcionalidade fornece novos insights sobre os limites de aceleração das fontes astrofísicas e as assinaturas espectrais com as quais elas contribuem. Pela primeira vez, os cientistas conseguiram conectar um “joelho” diretamente a uma classe específica de objeto: um sistema de jato de buraco negro.
Projetado, construído e operado por cientistas chineses, o LHAASO tornou-se líder global na pesquisa de raios cósmicos de alta energia devido à sua excepcional sensibilidade na astronomia de raios gama e medições precisas de raios cósmicos. As suas realizações continuam a expandir a compreensão dos processos mais extremos do universo.
