Resultados importantes divulgados em 16 de novembro pelo Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) finalmente esclareceram um quebra-cabeça de décadas na astrofísica: a queda incomum nos raios cósmicos acima de 3 PeV que os cientistas chamam de “joelho” no espectro de energia dos raios cósmicos.
A causa deste declínio acentuado permanece um mistério desde que foi identificada pela primeira vez há quase 70 anos. Os investigadores há muito que suspeitam que a característica reflete as energias mais elevadas que as fontes de raios cósmicos podem atingir, marcando uma transição de um comportamento de lei de potência para outro espectro.
Micro-quasares surgem como uma possível fonte de “joelhos”.
Dois novos estudos – publicados Revisão Nacional de Ciência E Boletim Científico – agora apontam para micro-quasares impulsionados pela acumulação de buracos negros como a principal explicação. Estes estudos mostram que estes sistemas compactos actuam como aceleradores de partículas muito poderosos dentro da Via Láctea e podem gerar de forma fiável as forças associadas ao “joelho”. Os resultados aprofundam a compreensão científica de como os sistemas de buracos negros conduzem processos físicos extremos.
A equipe de pesquisa incluiu cientistas da Academia Chinesa de Ciências (CAS), da Universidade de Nanjing, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, da Universidade La Sapienza de Roma e do Instituto de Física de Altas Energias de várias instituições adicionais.
LHAASO detecta emissão de energia ultra-alta de cinco micro-quasares
Buracos negros em sistemas binários extraem material de estrelas companheiras, criando jatos relativísticos que transformam esses sistemas em “micro-quasares”. O LHAASO detectou 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. Esta é a primeira vez que estas fontes foram sistematicamente observadas em energias tão elevadas.
Um dos resultados mais interessantes vem do SS 433, onde os raios gama detectados se sobrepõem a uma enorme nuvem nuclear. Isto sugere fortemente que os buracos negros aceleram prótons de alta energia que então colidem com o material circundante. A energia do próton no SS 433 excede 1 PeV, e a energia total atinge cerca de 1.032 joules por segundo, um nível comparável à energia liberada por quatro trilhões das mais poderosas bombas de hidrogênio por segundo. Outro micro-quasar, V4641 Sgr, produz raios gama atingindo 0,8 PeV, marcando-o como outro “super acelerador de partículas PV”. As partículas centrais por trás desses raios gama carregam energias acima de 10 PeV.
Estas observações confirmam que os microquasares são capazes de acelerar partículas ao nível PeV em toda a Via Láctea. 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 as energias observadas nos “joelhos” e acima.
A LHASO também mede energias de prótons que antes pareciam impossíveis de isolar
Compreender o quadro completo requer medições precisas dos espectros de potência das várias espécies de raios cósmicos e dos seus distintos “joelhos”. Medir o espectro do próton (o núcleo mais leve) é o primeiro e mais importante passo. No entanto, os prótons na faixa de energia do “joelho” são extremamente raros e os detectores de satélite têm cobertura limitada, tornando tais observações extraordinariamente desafiadoras. Os métodos terrestres introduzem interferência atmosférica, o que historicamente tornou quase impossível separar prótons de núcleos pesados.
Usando seu recurso avançado de detecção de raios cósmicos, a LHAASO desenvolveu técnicas de análise multiparâmetros que permitem aos pesquisadores detectar uma amostra estatisticamente grande e altamente purificada de prótons. Isto permitiu uma medição precisa do seu espectro de potência que rivaliza com a precisão dos instrumentos baseados em satélite. Os resultados revelaram uma estrutura inesperada: em vez de uma transição suave para o comportamento da lei de potência, há um novo e distinto “componente de alta energia” no espectro de prótons.
Vários aceleradores cósmicos moldam o ambiente de partículas da Via Láctea
Combinados com dados de prótons do satélite AMS-02 em baixas energias e medições de energia intermediária do Dark Matter Particle Explorer (DAMPE), os resultados mostram que a Via Láctea hospeda vários tipos de aceleradores. Cada um tem seu próprio limite de potência característico. O “joelho” marca a potência máxima alcançada pela fonte geradora de material de alta energia recentemente identificada
A estrutura complexa do espectro de prótons sugere que os raios cósmicos PeV são produzidos principalmente por “novas fontes”, como microquasares, que podem acelerar partículas a energias significativamente mais altas do que os remanescentes de supernovas. Essa habilidade lhes permite criar partículas responsáveis pelos “joelhos” e partículas que se estendem além deles.
Os sistemas de jatos de buracos negros são “joelhos” diretamente conectados aos raios cósmicos.
Juntas, as 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 criação de raios cósmicos.
O conjunto de detectores híbridos do LHAASO permite a detecção de raios gama de alta energia de aceleradores cósmicos e medições precisas de raios cósmicos que chegam perto da Terra. Esta dupla capacidade fornece novos conhecimentos sobre os limites de aceleração das fontes astrofísicas e a sua contribuição para a assinatura espectral. Pela primeira vez, os cientistas conseguiram conectar diretamente os “joelhos” a uma classe específica de objetos: sistemas de jatos de buracos negros.
O LHAASO, projetado, construído e operado por cientistas chineses, 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.
