Durante décadas, os cientistas ficaram intrigados com uma curva acentuada no espectro de energia dos raios cósmicos, conhecida como “joelho”, em torno de 3 PeV (peta-elétron-volts). Agora, resultados inovadores do Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) confirmam que poderosos aceleradores de partículas dentro de sistemas de buracos negros – especificamente, micro-quasares – são a fonte provável deste fenómeno cósmico. Esta descoberta não só resolve um mistério de longa data, mas também revela o papel crítico que os buracos negros desempenham na formação de raios cósmicos de alta energia na nossa galáxia.
O quebra-cabeça de décadas do joelho do raio cósmico
Os raios cósmicos, partículas de alta energia que bombardeiam a Terra a partir do espaço, exibem um espectro onde o número de partículas diminui com o aumento da energia. No entanto, por volta de 3 PeV, o espectro assume uma forma distinta de “joelho” – uma queda repentina na contagem de partículas. A causa desta mudança abrupta permaneceu desconhecida durante quase 70 anos, com teorias apontando para limitações nos processos de aceleração astrofísica.
Avanço do LHAASO: Micro-Quasares como Aceleradores Cósmicos
Estudos recentes, publicados na National Science Review e no Science Bulletin, demonstram que micro-quasares – sistemas binários onde um buraco negro acumula material de uma estrela companheira – são capazes de acelerar partículas até energias PeV. O LHAASO detectou sistematicamente raios gama de ultra-alta energia de cinco micro-quasares: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 e Cygnus X-1.
Descobriu-se que a radiação de energia ultra-alta do SS 433 se sobrepõe a uma nuvem atómica gigante, indicando que os protões de alta energia são acelerados pelo buraco negro e colidem com a matéria circundante. A energia do próton neste sistema excedeu 1 PeV, com uma potência total equivalente a quatro trilhões de bombas de hidrogênio detonando por segundo. V4641 Sgr exibiu energia de raios gama atingindo 0,8 PeV, tornando-o outro “acelerador de partículas super PeV”.
Por que os remanescentes de supernova não são suficientes
Historicamente, os remanescentes de supernovas foram considerados a principal fonte de raios cósmicos. No entanto, estudos observacionais e teóricos mostraram que lhes falta energia para acelerar as partículas até níveis de PeV e além. As descobertas do LHAASO confirmam que os microquasares preenchem esta lacuna, fornecendo as capacidades de aceleração necessárias para produzir a componente de alta energia dos raios cósmicos.
O desafio de medir espectros de raios cósmicos
Medir com precisão o espectro de energia dos raios cósmicos, especialmente dos prótons, é extremamente difícil. A região do “joelho” é esparsa, tornando a detecção semelhante a encontrar uma agulha num palheiro. As medições baseadas no solo são complicadas pela interferência atmosférica, tornando difícil distinguir prótons de outros núcleos. A LHAASO superou esses desafios aproveitando seu equipamento de observação avançado e desenvolvendo técnicas de medição multiparâmetros.
Múltiplos Aceleradores Moldam a Paisagem dos Raios Cósmicos
As descobertas do LHAASO, combinadas com dados dos experimentos espaciais AMS-02 e DArk Matter Particle Explorer (DAMPE), revelam um quadro complexo. A galáxia contém vários aceleradores, cada um com suas próprias capacidades e faixa de energia. O “joelho” representa o limite de aceleração das fontes responsáveis pela geração do componente de alta energia, com os microquasares desempenhando um papel crucial.
Conectando Buracos Negros ao Joelho do Raio Cósmico
O design do conjunto de detectores híbridos do LHAASO permite a detecção de fontes de raios cósmicos através de raios gama de energia ultra-alta, ao mesmo tempo que permite a medição precisa de partículas de raios cósmicos. Esta abordagem fornece insights sobre as capacidades de aceleração de fontes com energias PeV e as características espectrais que elas contribuem para os raios cósmicos. Pela primeira vez, a estrutura do “joelho” foi conectada observacionalmente a um tipo específico de fonte astrofísica – o sistema de jato do buraco negro.
Um avanço chinês na pesquisa de raios cósmicos
O LHAASO, projetado, construído e operado por cientistas chineses, assumiu a liderança na pesquisa de raios cósmicos de alta energia devido à sua sensibilidade tanto na astronomia de raios gama quanto na medição precisa de raios cósmicos. A sua série de descobertas teve um impacto global, contribuindo para o nosso conhecimento dos processos físicos extremos no universo.
Em conclusão, as descobertas do LHAASO fornecem provas definitivas de que os sistemas de buracos negros, especificamente os micro-quasares, são a principal fonte de raios cósmicos de alta energia responsáveis pelo “joelho” no espectro de energia. Esta descoberta não só resolve um mistério de décadas, mas também estabelece uma ligação crítica entre os buracos negros e a extrema aceleração de partículas que ocorre na nossa galáxia.
