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Uma nova pesquisa adiciona uma ruga à nossa compreensão das origens da matéria na Via Láctea
Aprender mais sobre como os raios cósmicos se movem pela galáxia ajuda a resolver uma questão fundamental e persistente na astrofísica: como a matéria é gerada e distribuída pelo universo?
Por University of Maryland Baltimore County - 21/06/2021


Domínio público

Novas descobertas publicadas esta semana na Physical Review Letters sugerem que os raios cósmicos de carbono, oxigênio e hidrogênio viajam pela galáxia em direção à Terra de maneira semelhante, mas, surpreendentemente, o ferro chega à Terra de maneira diferente. Aprender mais sobre como os raios cósmicos se movem pela galáxia ajuda a resolver uma questão fundamental e persistente na astrofísica: como a matéria é gerada e distribuída pelo universo?

"Então o que essa descoberta significa?" pergunta John Krizmanic, um cientista sênior do Centro de Ciência e Tecnologia Espacial da UMBC (CSST). "Esses são indicadores de que algo interessante está acontecendo. E o que é interessante é que teremos que ver."

Os raios cósmicos são núcleos atômicos - átomos desprovidos de seus elétrons - que estão constantemente zunindo pelo espaço quase à velocidade da luz. Eles entram na atmosfera da Terra com energias extremamente altas. Informações sobre esses raios cósmicos podem dar aos cientistas pistas sobre de onde eles vieram na galáxia e que tipo de evento os gerou.

Um instrumento na Estação Espacial Internacional (ISS) chamado Telescópio Eletrônico Calorimétrico (CALET) vem coletando dados sobre raios cósmicos desde 2015. Os dados incluem detalhes como quantos e quais tipos de átomos estão chegando e quanta energia eles ' está chegando com. As equipes americanas, italianas e japonesas que gerenciam o CALET, incluindo Krizmanic da UMBC e o pós-doutorado Nick Cannady, colaboraram na nova pesquisa.

Ferro em movimento

Os raios cósmicos chegam à Terra de outras partes da galáxia com uma grande variedade de energias - de 1 bilhão de volts a 100 bilhões de bilhões de volts. O instrumento CALET é um dos poucos no espaço que é capaz de fornecer detalhes finos sobre os raios cósmicos que detecta. Um gráfico chamado espectro de raios cósmicos mostra quantos raios cósmicos estão chegando ao detector em cada nível de energia. Os espectros para os raios cósmicos de carbono, oxigênio e hidrogênio são muito semelhantes, mas a principal descoberta do novo artigo é que o espectro do ferro é significativamente diferente.

Existem várias possibilidades para explicar as diferenças entre o ferro e os três elementos mais leves. Os raios cósmicos podem acelerar e viajar através da galáxia de forma diferente, embora os cientistas geralmente acreditem que entendem o último, Krizmanic diz.

"Algo que precisa ser enfatizado é que a maneira como os elementos chegam das fontes a nós é diferente, mas pode ser que as fontes também sejam diferentes", acrescenta Michael Cherry, professor emérito de física da Louisiana State University (LSU) e um coautor no novo artigo. Os cientistas geralmente acreditam que os raios cósmicos se originam de estrelas em explosão (supernovas), mas estrelas de nêutrons ou estrelas muito massivas podem ser outras fontes potenciais.
 
Precisão de próximo nível

Um instrumento como o CALET é importante para responder a perguntas sobre como os raios cósmicos se aceleram e viajam, e de onde eles vêm. Instrumentos no solo ou balões voando alto na atmosfera da Terra foram a principal fonte de dados de raios cósmicos no passado. Mas quando os raios cósmicos alcançam esses instrumentos, eles já interagiram com a atmosfera da Terra e se dividiram em partículas secundárias . Com instrumentos baseados na Terra, é quase impossível identificar precisamente quantos raios cósmicos primários e quais elementos estão chegando, além de suas energias. Mas CALET, estando na ISS acima da atmosfera, pode medir as partículas diretamente e distinguir elementos individuais com precisão.

O ferro é um elemento particularmente útil para analisar, explica Cannady, um pós-doutorado com CSST e ex-Ph.D. estudante com Cherry na LSU. Em seu caminho para a Terra, os raios cósmicos podem se decompor em partículas secundárias e pode ser difícil distinguir entre as partículas originais ejetadas de uma fonte (como uma supernova) e as partículas secundárias. Isso complica as deduções sobre a origem das partículas.

“À medida que as coisas interagem a caminho de nós, você obterá essencialmente conversões de um elemento para outro”, diz Cannady. "O ferro é único, sendo uma das coisas mais pesadas que podem ser sintetizadas na evolução estelar regular, temos quase certeza de que é praticamente todos os raios cósmicos primários. É o único raio cósmico primário puro, enquanto com outros você ' vou ter alguns componentes secundários alimentando isso também. "

"Feito de poeira estelar"

Medir os raios cósmicos dá aos cientistas uma visão única dos processos de alta energia que acontecem em lugares distantes. Os raios cósmicos que chegam a CALET representam "a matéria de que somos feitos. Somos feitos de poeira estelar", diz Cherry. "E fontes energéticas, coisas como supernovas, ejetam esse material de seus interiores, para a galáxia, onde é distribuído, forma novos planetas, sistemas solares e ... nós."

"O estudo dos raios cósmicos é o estudo de como o universo gera e distribui matéria e como isso afeta a evolução da galáxia", acrescenta Krizmanic. "Então, na verdade, é estudar a astrofísica desse motor que chamamos de Via Láctea que está lançando todos esses elementos ao redor."

Um esforço global

A agência espacial japonesa lançou o CALET e hoje lidera a missão em colaboração com as equipes dos Estados Unidos e da Itália. Nos EUA, a equipe do CALET inclui pesquisadores da LSU; Centro de Voo Espacial Goddard da NASA; UMBC; Universidade de Maryland, College Park; Universidade de Denver; e a Washington University. O novo artigo é o quinto desta colaboração internacional altamente bem-sucedida publicada na PRL, uma das revistas de física de maior prestígio.

CALET foi otimizado para detectar elétrons de raios cósmicos, porque seu espectro pode conter informações sobre suas fontes. Isso é especialmente verdadeiro para fontes que estão relativamente próximas da Terra em termos galácticos: a menos de um trigésimo da distância através da Via Láctea. Mas CALET também detecta os núcleos atômicos dos raios cósmicos com muita precisão. Agora, esses núcleos estão oferecendo informações importantes sobre as fontes dos raios cósmicos e como eles chegaram à Terra.

"Não esperávamos que os núcleos - o carbono, o oxigênio, os prótons, o ferro - realmente começassem a mostrar algumas dessas diferenças detalhadas que apontam claramente para coisas que não sabemos", diz Cherry.

A última descoberta cria mais perguntas do que respostas, enfatizando que ainda há mais para aprender sobre como a matéria é gerada e se move pela galáxia. "Essa é uma questão fundamental: como você cria matéria?" Krizmanic diz. Mas, ele acrescenta: "Esse é o motivo pelo qual entramos neste negócio, para tentar entender mais sobre como o universo funciona."

 

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