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Misteriosa origem de raios cósmicos pode estar mais perto de ser desvendada

Estudo sugere que sua origem está nos remanescentes de explosões de supernovas. Se confirmada, descoberta pode ajudar a encerrar debate iniciado em 1912.
Remanescente supernova

Astrônomos encontram evidências de que origem de raios cósmicos tem origem em supernovas, como a representada na imagem. Créditos: NASA/CXC/IAFE/G.Dubner et al & ESA/XMM-Newton

Desde que foram descobertos, em 1912, os raios cósmicos de altas energias, formados pelas partículas que apresentam os mais elevados níveis de energia conhecidos no Universo, têm desafiado os cientistas.  Entre as possíveis origens para estes raios propostas pelos teóricos ao longo das décadas estão o nosso Sol, os quasares e o material estelar remanescente de grandes explosões de tipo supernova. O estudo dos raios cósmicos é fundamental para que possamos entender como se deu a evolução de nossa galáxia, pois a ação deles está ligada à evolução química da matéria interestelar.

Raios cósmicos são formados de prótons (em sua maior parte) e elétrons. Uma das ideias prevalentes para explicar os altos níveis de energia que eles possuem é que sofreriam uma grande aceleração quando passam nas vizinhanças dos remanescentes de supernovas. Estas, por sua vez, são explosões estelares extremamente poderosas. O impulso extra permitiria que seus prótons cheguem à Terra com velocidades próximas à da luz no vácuo. Mas há poucas evidências para provar a teoria.

Agora, um novo estudo pode conferir um avanço significativo para a resolução da questão da origem dos raios cósmicos de altas energias.

Um grupo de pesquisadores japoneses e australianos analisou um remanescente de explosão de supernova conhecido como RX J1713.7?3946 (RX J1713). Utilizando análises de radiação de raio-x, rádio e raios gama, o estudo calculou que pelo menos 67 ± 8 da radiação de raios gama observada na região do RX J1713 se origina de prótons viajando a altíssimas velocidades. Já no caso dos raios cósmicos originados de elétrons, o percentual foi calculado em 33 ± 8.

Evidência para origem nos remanescentes de supernova

Recentemente, avanços na capacidade de fazer observações na faixa dos raios gama já haviam mostrado que alguns remanescentes de supernovas conseguem emitir raios gama com altíssima energia, na ordem dos Teraeletronvolts.

Com uma análise dos raios gama sugirindo a sua produção por prótons, é, portanto, viável associar esses prótons aos remanescentes de supernovas como uma possível origem. Porém, os raios gama também podem ser produzidos a partir de elétrons. Então, há a necessidade de estimar qual a contribuição de cada partícula para a produção de raios gama gerados por um remanescente de supernova. Essa estimativa foi a contribuição do novo estudo. Os resultados,  publicados no Astrophysical Journal, são a primeira evidência mais robusta  de que os raios gama são majoritariamente originados de prótons, o que sugere que os raios cósmicos da nossa galáxia são produzidos por remanescentes de supernovas.

Esta foi a primeira vez em que os raios cósmicos produzidos por um remanescente de supernova foram descritos em termos quantitativos.

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A originalidade desta pesquisa reside na representação da radiação gama por uma combinação linear de componentes de prótons e elétrons. Os astrônomos já tinham conhecimento de que a intensidade dos raios gama de prótons é proporcional à densidade do gás interestelar. Enquanto os raios gama de elétrons são proporcionais à intensidade dos raios X de elétrons.

Portanto, eles expressaram a intensidade total dos raios gama como a soma desses dois componentes dos raios gama. Como resultado, foi mostrado que os raios gama de prótons e de elétrons correspondem a cerca de  70% e 30% do total dos raios gama, respectivamente.

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Além disso, foi possível concluir que os raios gama de prótons são predominantes em regiões interestelares ricas em gás. Já os raios gama dos elétrons são intensos naquelas pobres em gás. Isso confirma que os dois mecanismos trabalham juntos, o que está de acordo com  previsões feitas por estudos teóricos anteriores.

“Este novo método não poderia ter sido realizado sem a colaboração internacional”, destaca Yasuo Fukui,  professor emérito Yasuo Fukui da Universidade de Nagoya. Ele liderou este projeto e quantificou com precisão a distribuição da densidade do gás interestelar usando o radiotelescópio NANTEN e o Australia Telescope Compact Array.

Embora a resolução de raios gama fosse insuficiente para realizar uma análise completa no passado, Gavin Rowell e Sabrina Einecke, da Universidade de Adelaide trabalharam para melhorar drasticamente a resolução espacial e a sensibilidade dos raios gama ao longo dos anos. Isso possibilitou que compará-los  com as densidades de gás interestelar de maneira precisa.  Hidetoshi Sano, do Observatório Astronômico Nacional do Japão, liderou a análise imagética de raios-X dos dados obtidos pelo satélite europeu XMM-Newton.

Einecke e Rowell também colaboraram com Fukui e Sano na realização de estudos detalhados que examinaram as correlações entre os raios gama, raios X e emissões de rádio. “Este novo método será aplicado a mais supernovas remanescentes usando o telescópio de nova geração Cherenkov Telescope Array, o que irá avançar muito o estudo da origem dos raios cósmicos.”

Publicado em 29/08/2021

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