Um novo estudo usando dados do instrumento CALorimetric Electron Telescope (CALET) na Estação Espacial Internacional encontrou evidências de fontes jovens e próximas de elétrons de raios cósmicos, contribuindo para uma maior compreensão de como a galáxia funciona como um todo.

O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters .

O estudo incluiu mais de 7 milhões de pontos de dados representando partículas que chegam ao detector do CALET desde 2015, e a capacidade do CALET de detectar elétrons nas energias mais altas é única. Como resultado, os dados incluem mais elétrons em altas energias do que qualquer trabalho anterior. Isso torna a análise estatística dos dados mais robusta e dá suporte à conclusão de que existem uma ou mais fontes locais de elétrons de raios cósmicos.

"Esta é uma das principais coisas que o CALET deve procurar", diz Nicholas Cannady, cientista assistente de pesquisa do Centro de Ciências e Tecnologia Espaciais da UMBC, uma parceria com o Goddard Space Flight Center da NASA, e líder do estudo. Com este artigo, ele acrescenta: “Fomos realmente capazes de avançar para o reino onde temos poucos eventos e começar a procurar coisas nas energias mais elevadas, o que é emocionante”.

A teoria atual postula que o rescaldo das supernovas (estrelas em explosão), chamadas de remanescentes de supernovas, produz esses elétrons de alta energia , que são um tipo específico de raio cósmico. Os elétrons perdem energia muito rapidamente depois de deixarem sua fonte, portanto, acredita-se que os raros elétrons que chegam ao CALET com alta energia se originam em remanescentes de supernovas que estão relativamente próximos (em escala cósmica), explica Cannady.

Os resultados do estudo são “um forte indicador de que o paradigma que temos para compreender estes eletrões de alta energia – que provêm de remanescentes de supernovas e que são acelerados da forma como pensamos que são – está correto”, diz Cannady. As descobertas “fornecem informações sobre o que está acontecendo nesses remanescentes de supernovas e oferecem uma maneira de compreender melhor a galáxia e essas fontes na galáxia”.

CALET é um projeto colaborativo construído e operado por grupos no Japão, Itália e Estados Unidos, liderados por Shoji Torii. Os principais contribuintes para este trabalho no Japão são Torii, Yosui Akaike e Holger Motz da Universidade Waseda em Tóquio, e a Louisiana State University é a instituição líder nos EUA

Trabalhos anteriores descobriram que o número de elétrons que chegam ao CALET diminuiu constantemente à medida que a energia aumentou até cerca de 1 teravolt (TeV), ou 1 trilhão de elétron-volts. O número de elétrons chegando com energia ainda maior foi extremamente baixo. Mas neste estudo, CALET não observou a queda esperada. Em vez disso, os resultados sugerem que o número de partículas estabiliza, e até aumenta, nas energias mais altas – até 10 TeV em alguns casos.

Experimentos anteriores só conseguiram medir partículas até cerca de 4 TeV, portanto, os candidatos a eventos de maior energia acima deste estudo são uma nova fonte crucial de informação sobre potenciais fontes próximas de elétrons de raios cósmicos. Cannady liderou o esforço para analisar individualmente cada um desses eventos para confirmar que representam um sinal real, e um mergulho mais profundo nesses eventos está por vir.

É difícil distinguir entre elétrons e prótons em altas energias, e há muito mais prótons chegando do que elétrons, o que representa desafios para uma análise precisa. Para diferenciar as partículas, um programa desenvolvido pelos pesquisadores analisa como as partículas se decompõem ao atingir o detector.

Os prótons e os elétrons se decompõem de maneira diferente, portanto, comparar a cascata de partículas que eles criam nesse processo pode filtrar os prótons. No entanto, nas energias mais altas, as diferenças entre prótons e elétrons diminuem, tornando mais difícil remover com precisão apenas os prótons dos dados.

Para resolver isso, Cannady liderou o esforço da equipe CALET para simular os padrões de ruptura de prótons e elétrons vindos da direção exata de onde veio cada um dos eventos de alta energia. Isso aumentou a capacidade da equipe de determinar se os eventos são elétrons ou prótons com a maior precisão possível.

Com base nesse trabalho, “Acreditamos que estamos avaliando a probabilidade de os eventos serem prótons de uma forma realista”, diz Cannady. Suficientes elétrons presumidos permanecem no conjunto de dados após essa análise cuidadosa para concluir que há um sinal real.

T. Gregory Guzik, professor de física na LSU e líder da colaboração CALET dos EUA, está entusiasmado com o facto de uma análise mais aprofundada dos dados sugerir que os elétrons provenientes dos três melhores candidatos a remanescentes de supernovas próximos podem explicar as chegadas de alta energia .

“Estas observações do CALET abrem a possibilidade tentadora de que a matéria de um remanescente de supernova próximo possa ser medida na Terra”, partilha Guzik. "A medição contínua do CALET ao longo da vida da Estação Espacial Internacional ajudará a lançar uma nova luz sobre a origem e o transporte da matéria relativística na nossa galáxia."

Para Cannady, "A parte mais emocionante é ver coisas nas energias mais altas. Temos alguns candidatos acima de 10 TeV - e se for confirmado que estes são eventos de elétrons reais, é realmente uma arma fumegante para evidências claras de uma fonte próxima, " ele diz. "Isso é essencialmente o que o CALET foi criado para fazer, por isso é emocionante trabalhar nisso e finalmente obter resultados que estão ultrapassando os limites do que vimos antes."