💥 Observação de um comportamento surpreendente dos raios cósmicos mais energéticos

A colaboração Auger, que opera um observatório de raios cósmicos de 3000 km² nos Andes argentinos, anuncia a observação de uma estrutura inesperada no espectro dos raios cósmicos de ultra alta energia, além de 10¹⁸ eletrovolts.

Esta quebra denominada "peito do pé" ou "instep" sugere que a frequência dos raios cósmicos diminui fortemente além de 10 exaeletrovolts (EeV). Além disso, a colaboração observa que as inflexões do espectro se encontram de forma idêntica em todas as direções, o que implicaria que sejam emitidos pelas mesmas fontes extragalácticas em todo o Universo.


Faz mais de 20 anos que a colaboração Auger, da qual participam vários grupos de CNRS Nuclear & Partículas, conduz a investigação sobre os raios cósmicos, essas partículas vindas do espaço que bombardeiam permanentemente a nossa atmosfera. Mais de 20 anos que a rede de detectores Cherenkov estendida por 3000 km² capta os raios cósmicos de ultra-alta energia (UHECR), com o objetivo de compreender um dia de onde vêm esses mensageiros cósmicos e quais bestas celestes no-los enviam.


O estudo publicado em 9 de dezembro na revista Physical Review Letters pela colaboração, sem ainda desvendar o mistério sobre a fonte dos UHECR, constitui uma etapa importante para a compreensão desse fenômeno ao caracterizar mais precisamente sua frequência e distribuição.

Os UHECR são constituídos por partículas de matéria, como prótons ou núcleos atômicos acelerados a energias para fazer salivar o LHC do CERN. Sua corrida louca pelo cosmos termina quando produzem uma cascata de partículas ao contato com a atmosfera terrestre.

Quando uma dessas cascatas se desdobra no céu noturno dos Andes argentinos, uma porção dessas partículas, como múons, elétrons e fótons, será captada pelas centenas de tanques de detecção e pelos quatro telescópios Cherenkov da colaboração Auger. A partir da análise dessas cascatas, os físicos e as físicas vão obter informações cruciais, como a energia e a direção dos UHECR. O resultado publicado na Physical Review Letters se baseia numa compilação de 20 anos desses dados pacientemente coletados pela colaboração.

Ele confirma a existência de um fenômeno batizado de "instep" ou "peito do pé" em português no espectro dos UHECR, ou seja, a curva que descreve a frequência dos eventos em função de sua energia. Estudos anteriores já haviam sugerido a existência dessa quebra situada entre duas quebras conhecidas há muito tempo - o tornozelo (ankle) e o dedão do pé (toe) - sua existência no espectro dos UHECR não deixa mais dúvidas. Este "peito do pé" reflete uma diminuição marcante da frequência dos UHECR além de 10 exaeletrovolts, energia na qual a maior parte do fluxo de raios cósmicos seria constituída por núcleos mais pesados que o hidrogênio.

Mas a nova análise do coletivo Auger não se limita a confirmar a existência dessa estrutura. Até então, apenas as partículas que chegavam com um ângulo zenital inferior a 60° eram consideradas, pois a reconstrução do sinal se torna mais complexa quando a chegada é rasante, devido aos efeitos do campo magnético terrestre, que altera a trajetória das partículas carregadas. Desta vez, graças ao desenvolvimento de camadas que permitem reconstruir os eventos levando em conta a influência do campo magnético, a equipe estendeu seu estudo até 80°, permitindo cobrir cerca de 75 % de todo o céu. Este aumento massivo da área observada oferece um panorama muito mais completo e estatisticamente robusto.


Ora, o resultado é claro: o "instep" descoberto pela colaboração aparece em toda parte, independentemente da região do céu observada. Este caráter uniforme sugere fortemente que essa estrutura não provém de uma fonte isolada ou de um fenômeno local, mas sim de um conjunto de numerosos aceleradores cósmicos extragalácticos, funcionando segundo processos físicos semelhantes. Em outras palavras, as partículas mais energéticas que atingem nossa atmosfera parecem ser produzidas em diversos objetos situados bem além da Via Láctea, provavelmente em ambientes astrofísicos extremos.

A homogeneidade identificada por Auger representa uma nova restrição preciosa para os modelos teóricos que buscam explicar como essas partículas podem ser aceleradas a tais energias. Esforços teóricos que poderão em breve se beneficiar do fluxo de dados de um observatório com desempenho melhorado pelo AugerPrime, que estará operacional muito em breve.

Fonte: CNRS IN2P3