Há mais de cem anos, os cientistas tentam compreender os raios cósmicos, partículas poderosas que viajam pelo universo em energias extremamente altas. Apesar de décadas de investigação, muitas questões sobre a sua origem e como aceleram permanecem sem resposta. Agora, pesquisadores que usaram o telescópio espacial DAMPE (Dark Matter Particle Explorer) descobriram uma nova pista importante. Suas descobertas foram publicadas em naturezarevela as características comuns destas partículas misteriosas e pode ajudar os cientistas a compreender melhor as suas origens.
Os raios cósmicos são as partículas de maior energia já observadas na natureza. Eles carregam mais energia do que as partículas produzidas pelos aceleradores mais avançados da Terra. Os cientistas acreditam que são produzidos por alguns dos eventos mais violentos do universo, incluindo explosões de supernovas, jatos de buracos negros e pulsares.
O telescópio espacial DAMPE foi lançado em dezembro de 2015 para estudar as propriedades dos raios cósmicos e explorar possíveis ligações com a matéria escura. A missão inclui contribuições importantes do Grupo de Astrofísica do Departamento de Física Nuclear e de Partículas (DPNC) da Universidade de Genebra (UNIGE).
Ao examinar os dados de alta precisão recolhidos pelo DAMPE, os investigadores descobriram um padrão comum no espectro de energia dos núcleos primários de raios cósmicos, variando desde protões leves até núcleos de ferro muito mais pesados.
“Os raios cósmicos são compostos principalmente de prótons, mas também de núcleos de hélio, carbono, oxigênio e ferro”, explica o coautor do estudo Andrii Tykhonov, professor associado do DPNC na Faculdade de Ciências da UNGE. “No meio, de alguns bilhões a centenas de bilhões de elétron-volts; ou ainda mais, de 1.000 bilhões de elétron-volts e ainda mais.” “
Cientistas descobrem padrão comum de raios cósmicos
O estudo mostrou que para cada tipo de núcleo estudado, o número de partículas começou a diminuir mais rapidamente após atingir um determinado limite. Os cientistas chamam esse efeito de “suavização espectral”.
Geralmente, os raios cósmicos de alta energia tornam-se menos comuns à medida que a energia aumenta. No entanto, as observações do DAMPE mostram que a diminuição aumenta dramaticamente quando a rigidez excede cerca de 15 TV (tera elétron-volts). A rigidez descreve quão fortemente o caminho de uma partícula resiste à flexão em um campo magnético.
Como esta mesma característica aparece em muitos tipos diferentes de partículas, estas descobertas apoiam fortemente a teoria de que a aceleração dos raios cósmicos e o movimento no espaço são rigidamente controlados. Ao mesmo tempo, estes dados excluem em grande parte explicações concorrentes baseadas na energia por núcleon (energia dividida pelo número de núcleons na partícula). Os pesquisadores afirmaram que o nível de confiança para esses modelos alternativos atingiu 99,999%.
Inteligência artificial e detectores avançados ajudam a impulsionar descobertas
Pesquisadores de Genebra desempenharam um papel importante nesta descoberta. A equipe desenvolveu métodos sofisticados de inteligência artificial para reconstruir eventos de partículas detectados pelo telescópio. Eles também contribuíram para medições importantes envolvendo fluxos de prótons e hélio e ajudaram a analisar dados do núcleo de carbono.
Além disso, o grupo de Genebra também assumiu a liderança no desenvolvimento de um dos principais instrumentos do DAMPE – o rastreador de silício e tungstênio (STK). O detector é fundamental para rastrear com precisão os caminhos das partículas e determinar a carga dos raios cósmicos que chegam.
As descobertas marcam avanços importantes na compreensão de como os raios cósmicos são produzidos e como viajam pelas galáxias. Os cientistas dizem que os novos resultados impõem restrições mais rigorosas aos modelos existentes de aceleração de partículas em fontes astrofísicas e melhoram a nossa compreensão de como as partículas de alta energia viajam através do espaço interestelar.
