Cinquenta joules não parece uma quantidade astronômica de energia. É aproximadamente a energia cinética de um objeto de um quilograma movendo-se a dez metros por segundo.
Coloque essa energia em uma partícula subatômica, entretanto, e a comparação muda completamente.
Em 15 de outubro de 1991, o detector de raios cósmicos Fly’s Eye, em Utah, registrou uma chuva atmosférica produzida por uma partícula cuja energia foi posteriormente estimada em 51 joules. Em unidades de física de partículas, isso era 320 exaeletronvolts, ou 3,2 × 1020 elétronvolts.
Tive que verificar essa conversão duas vezes. O número parece demasiado grande para uma única partícula porque quase tudo o que experienciamos distribui a sua energia por um número inimaginável delas.
O evento ficou informalmente conhecido como partícula Oh-My-God. Mais de três décadas depois, os pesquisadores ainda não conseguem dizer qual objeto o lançou em direção à Terra.
O detector nunca capturou a partícula original
A frase “uma partícula atingiu a Terra” é correta, mas pode criar uma imagem mental errada. Não havia nenhum sensor esperando para capturar o objeto que chegava e colocá-lo sob um microscópio.
A partícula primária atingiu um núcleo atômico no alto da atmosfera. Essa colisão produziu partículas secundárias, que colidiram novamente e criaram uma cascata cada vez maior conhecida como extensa chuva de ar.
À medida que a chuva passava pela atmosfera, excitou moléculas de nitrogênio. Essas moléculas emitiam uma fraca fluorescência ultravioleta. O experimento Fly’s Eye usou espelhos e tubos fotomultiplicadores para rastrear essa luz no céu noturno, transformando efetivamente um grande volume de atmosfera em parte do detector.
Os instrumentos modernos usam a mesma ideia subjacente. A descrição da NASA de detecção de fluorescência explica como o sinal ultravioleta registra a passagem de uma chuva de ar de alta energia.
Os pesquisadores reconstruíram a direção, o desenvolvimento e a energia da chuva a partir da luz observada. O original Papel Olho de Moscapublicado por DJ Bird e colegas em O Jornal Astrofísicorelatou 320 mais ou menos 90 exaeletronvolts. Isso corresponde a cerca de 51 mais ou menos 14 joules.
A incerteza não é uma nota de rodapé. O valor de 50 joules é uma estimativa central inferida da chuva, e não uma medida perfeitamente direta.
O perfil do chuveiro também não identificou exclusivamente o primário. Provavelmente era um núcleo atômico, possivelmente um próton, mas os dados não conseguiram estabelecer sua composição.
Por que a comparação do acelerador é tão extrema
O Large Hadron Collider do CERN dá a cada próton em seus feixes Run 3 uma energia de 6,8 teraelétron-volts. Convertido em unidades comuns, isso equivale a cerca de 1,09 milionésimos de joule por próton.
Usando a estimativa central do Fly’s Eye, a partícula de 1991 transportava cerca de 47 milhões de vezes mais energia que um próton do LHC.
Essa comparação precisa de uma qualificação. O LHC armazena centenas de milhões de joules em um enorme número de prótons, de modo que o acelerador, como máquina, contém muito mais de 50 joules. O ponto extraordinário é a concentração de energia em uma única partícula.
A proporção também não significa que a colisão atmosférica disponibilizou 47 milhões de vezes mais energia para a produção de novas partículas do que uma colisão do LHC. O raio cósmico atingiu um alvo quase estacionário na atmosfera, enquanto o LHC envia dois feixes um em direção ao outro. A energia de colisão no referencial do centro de massa é um cálculo diferente.
Mesmo com essas distinções, a natureza acelerou uma partícula para uma energia que nenhuma máquina construída pelo homem consegue atingir numa base por partícula.
A radiação cósmica de fundo limita a viagem
Nessas energias, o espaço vazio não é realmente vazio. O universo está repleto de fótons de baixa energia que sobraram do cosmos primitivo, conhecido como radiação cósmica de fundo em micro-ondas.
Um próton de energia ultra-alta pode interagir com esses fótons e perder energia produzindo partículas como píons. Isto está associado ao efeito Greisen-Zatsepin-Kuzmin, previsto em 1966. Significa que os raios cósmicos mais energéticos não deveriam ser capazes de cruzar distâncias arbitrárias enquanto retêm toda a sua energia.
O artigo de Bird observou que, de acordo com as suas suposições, a partícula precisaria ter viajado menos de cerca de 30 megaparsecs, ou cerca de 100 milhões de anos-luz. Este ainda contém muitas galáxias, mas é local pelos padrões cosmológicos.
O horizonte exato depende de qual era a partícula que estava chegando. Os prótons e os núcleos mais pesados perdem energia através de diferentes interações e, portanto, a composição desconhecida alimenta diretamente a distância desconhecida.
Esta é uma das razões pelas quais o evento foi tão provocativo. Não foi apenas mais enérgico do que o esperado. A sua energia estreitou a jornada possível, sem deixar nenhum acelerador óbvio no final do caminho reconstruído.
Uma direção não é o mesmo que um endereço
A luz aponta de volta para sua fonte porque os fótons não carregam carga elétrica. Os raios cósmicos geralmente não oferecem essa conveniência.
Partículas carregadas são desviadas por campos magnéticos entre galáxias e dentro da Via Láctea. Partículas de energia mais alta tendem a se curvar menos, mas a quantidade ainda depende de sua carga e de campos magnéticos que não estão completamente mapeados. Um núcleo pesado pode ser desviado mais do que um próton carregando a mesma energia total.
A equipe Fly’s Eye reconstruiu uma região de chegada no céu, e não uma linha reta comprovada para um objeto. As pesquisas não encontraram nenhuma fonte convincente que pudesse estar ligada ao evento.
Possíveis aceleradores cósmicos incluem jatos alimentados por buracos negros supermassivos, choques rápidos associados a explosões estelares, explosões de raios gama e galáxias de formação estelar altamente ativas. Cada um pode satisfazer partes do problema. Nenhum foi estabelecido como o local de nascimento da partícula de 1991.
O Observatório Pierre Auger ainda descreve a origem dos raios cósmicos de ultra-alta energia como uma questão em aberto. Isso é pesquisa de direção de chegada encontra associações estatísticas com a distribuição de matéria próxima e certas populações de galáxias, mas um padrão em nível de população não é uma identificação deste evento individual.
Origem desconhecida não significa automaticamente física desconhecida
Há uma tentação de tratar qualquer acontecimento extremo inexplicável como prova de que a física estabelecida falhou. A partícula Oh-My-God não exige essa conclusão.
Os objetos astrofísicos operam em distâncias, campos magnéticos e escalas de tempo que os aceleradores terrestres não conseguem reproduzir. A dificuldade é descobrir quais ambientes podem confinar uma partícula carregada por tempo suficiente, acelerá-la com eficiência suficiente e permitir que ela escape sem perder a maior parte de sua energia.
Observatórios posteriores registraram outras partículas acima de 1020 elétronvolts. Eles confirmam que o evento de 1991 pertence a uma população física rara, em vez de ser a única medição deste tipo. No entanto, as partículas de maior energia permanecem extraordinariamente escassas, o que torna difícil construir um mapa preciso das suas fontes.
O registro histórico da NASA ainda lista o evento Fly’s Eye em 3,2 × 1020 elétron-voltsa energia mais alta registrada para um raio cósmico individual.
O que chegou a Utah em 1991 não foi uma mensagem que pudéssemos rastrear. Foi um ponto de dados, reconstruído a partir de uma breve linha de luz ultravioleta, contendo evidências de que em algum lugar relativamente próximo, a natureza pode empurrar a matéria para energias que nossas máquinas não conseguem.
Ainda não sabemos onde.
