Os pesquisadores da Universidade de Delaware fazem parte da colaboração que estuda os raios cósmicos. Além dos tanques detectores Cherenkov cheios de água, o Observatório Pierre Auger na Argentina tem um segundo tipo de captador de raios cósmicos - detectores de fluorescência. As partículas carregadas em um chuveiro de ar de raios cósmicos interagem com o nitrogênio atmosférico, fazendo com que emita luz ultravioleta através de um processo chamado fluorescência, que é invisível ao olho humano - mas não para este detector óptico. Crédito:University of Delaware
Partículas menores do que um átomo se lançam através do universo quase na velocidade da luz, explodido no espaço de algo, algum lugar, no cosmos.
Uma colaboração científica do Observatório Pierre Auger, incluindo pesquisadores da Universidade de Delaware, mediu a mais poderosa dessas partículas - raios cósmicos de ultra-alta energia - com precisão sem precedentes. Ao fazer isso, eles encontraram uma "torção" no espectro de energia que está iluminando mais as possíveis origens desses viajantes espaciais subatômicos.
As conclusões da equipe são baseadas na análise de 215, 030 eventos de raios cósmicos com energias acima de 2,5 quintilhões de elétron-volts (eV), registrados na última década pelo Observatório Pierre Auger na Argentina. É o maior observatório do mundo para estudar os raios cósmicos.
O novo recurso espectral, uma torção no espectro de energia de raios cósmicos em cerca de 13 quintilhões de elétron-volts, representa mais do que pontos traçados em um gráfico. Traz a humanidade um passo mais perto de resolver os mistérios das partículas mais energéticas da natureza, de acordo com Frank Schroeder, professor assistente do Instituto de Pesquisa Bartol no Departamento de Física e Astronomia da UD, que esteve envolvido no estudo com o apoio da University of Delaware Research Foundation. A pesquisa é publicada em Cartas de revisão física e Revisão de Física D .
Nesta foto pré-pandêmica, O professor Frank Schroeder da UD trabalha com colegas para instalar uma antena de rádio em uma das estações de detecção de raios cósmicos do Observatório Pierre Auger, localizado perto de Malargüe, Argentina. Crédito:University of Delaware
"Desde que os raios cósmicos foram descobertos há 100 anos, a questão de longa data tem sido, o que acelera essas partículas? ", disse Schroeder." As medições da Colaboração Pierre Auger fornecem dicas importantes sobre o que podemos excluir como fonte. Do trabalho anterior, sabemos que o acelerador não está em nossa galáxia. Por meio desta última análise, podemos corroborar ainda mais nossas indicações anteriores de que os raios cósmicos de ultra-alta energia não são apenas prótons de hidrogênio, mas também uma mistura de núcleos de elementos mais pesados, e essa composição muda com a energia. "
Entre o "tornozelo" e o "dedo do pé"
Schroeder e o pesquisador de pós-doutorado da UD Alan Coleman, quem contribuiu para a análise dos dados, são membros da Colaboração Pierre Auger há vários anos. A UD se juntou oficialmente à colaboração como membro institucional em 2018. Esta equipe de mais de 400 cientistas de 17 países opera o observatório, que ocupa um 1, Área de 200 milhas quadradas, mais ou menos do tamanho de Rhode Island.
Uma série de estações detectoras de raios cósmicos do Observatório Pierre Auger perto de Malargüe, Argentina. A Universidade de Delaware é membro da colaboração internacional que opera o observatório, que inclui mais de 400 cientistas de 17 países. Crédito:University of Delaware
O observatório tem mais de 1, 600 detectores chamados estações de água-Cherenkov espalhados pelas planícies do Pampa Amarilla (Pradaria Amarela), esquecido por 27 telescópios de fluorescência. Coletivamente, esses instrumentos medem a energia que uma partícula de raios cósmicos de energia ultra-alta libera na atmosfera e fornecem uma avaliação indireta de sua massa. Todos esses dados - energia, massa e a direção de onde essas partículas extraordinárias chegaram - fornecem pistas importantes sobre suas origens.
Anteriormente, cientistas pensaram que essas partículas de raios cósmicos de ultra-alta energia eram principalmente prótons de hidrogênio, mas esta última análise confirma que as partículas têm uma mistura de núcleos - alguns mais pesados que oxigênio ou hélio, como silício e ferro, por exemplo.
Traçado no gráfico curvo que representa o espectro de energia dos raios cósmicos, você pode ver a torção - íngreme, seção achatada - entre a área referida pelos cientistas como "o tornozelo, "e o ponto inicial do gráfico, chamado de "dedo do pé".
Nesta foto pré-pandêmica, O pesquisador de pós-doutorado da UD Alan Coleman fica ao lado de um dos Observatório Pierre Auger 1, 600 estações de detecção de raios cósmicos, que estão espalhados por 1, 200 milhas quadradas do Pampa Amarilla. O metal corrugado no topo, chamado de painel cintilador, e a antena esférica de rádio são ambos sensores de raios cósmicos, enquanto a antena retangular é para comunicação com o edifício central do observatório. Crédito:University of Delaware
"Não temos um nome específico para isso, "disse Coleman, que fazia parte da equipe de 20 pessoas que escreveu o código do computador e fez a análise de dados necessária para a extensa análise de dados. "Acho que estamos ficando sem partes da anatomia para chamá-lo, " ele disse, brincadeira.
Envolvido diretamente na descoberta, Coleman melhorou a reconstrução da cascata de partículas, que os raios cósmicos criam quando atingem a atmosfera, para estimar a energia. Ele também realizou estudos detalhados para garantir que esse novo ponto de inflexão fosse real e não um artefato do detector. O trabalho do grupo de dados durou mais de dois anos.
"Obviamente, é bem leve, "Coleman disse sobre a torção espectral." Mas toda vez que você vê uma protuberância como esta, que sinaliza que a física está mudando e isso é muito emocionante. "
É muito difícil determinar a massa dos raios cósmicos que chegam, Coleman disse. Mas a medição da colaboração é tão robusta e precisa que uma série de outros modelos teóricos de onde os raios cósmicos de ultra-alta energia estão vindo agora podem ser eliminados, enquanto outros caminhos podem ser seguidos com mais vigor.
Os cientistas especulam que os núcleos galácticos ativos podem ser uma fonte de raios cósmicos de ultra-alta energia. Os núcleos galácticos ativos são buracos negros supermassivos no centro das galáxias, que apresentam jatos gigantescos de matéria que escapam de cair no buraco negro. Centaurus A, mostrado aqui, é um exemplo desta classe de galáxias em nossa vizinhança galáctica, a menos de 20 milhões de anos-luz da Terra. Crédito:University of Delaware
O fluxo dos raios cósmicos depende de sua energia. Quanto maior a energia, mais raros são os raios cósmicos. Contudo, a figura maior mostra que essa relação não é uniforme. Vários recursos indicam que algo está acontecendo em diferentes energias, referido informalmente pelos cientistas como o "joelho, ”O“ tornozelo ”e o“ dedo do pé, ”Junto com a“ nova torção, ”Medido pela colaboração do Observatório Pierre Auger. A inserção mostra essa nova medição em detalhes. Cada característica pode ser interpretada como uma mudança na composição dos raios cósmicos nas respectivas energias. Crédito:University of Delaware
Núcleos galácticos ativos (AGN) e galáxias estelares estão agora funcionando como fontes potenciais. Embora a distância típica seja de cerca de 100 milhões de anos-luz de distância, alguns candidatos estão dentro de 20 milhões de anos-luz.
"Se soubéssemos quais são as fontes, poderíamos analisar novos detalhes sobre o que está acontecendo, "Coleman disse. O que está acontecendo que permite essas energias incrivelmente altas? Essas partículas podem estar vindo de algo que nem sabemos."
A pesquisa em andamento pela equipe UD concentra-se em aumentar ainda mais a precisão da medição de raios cósmicos de ultra-alta energia e estender a medição precisa do espectro de raios cósmicos para energias mais baixas. Isso criaria uma melhor sobreposição com outros experimentos, Schroeder disse, como as medições de raios cósmicos do IceCube no Pólo Sul - outro observatório de astropartículas exclusivo com grande envolvimento da Universidade de Delaware.
