Imagine que você tivesse uma visão de super-herói e pudesse ver um novo mundo de fenômenos fascinantes invisíveis ao olho humano. O Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA dá aos astrofísicos poderes análogos. Ele captura imagens do universo em raios gama, a forma mais energética de luz.

Em 12 de abril, um dos instrumentos da espaçonave - o Large Area Telescope (LAT), que foi concebido e montado no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia - detectou seu bilionésimo raio gama extraterrestre.

Uma vez que os raios gama são frequentemente produzidos em processos violentos, sua observação lança luz sobre ambientes cósmicos extremos, como poderosas explosões de estrelas, jatos de partículas de alta velocidade lançados por buracos negros supermassivos, e estrelas de nêutrons ultradensas girando inimaginavelmente rápido. Os raios gama também podem ser sinais reveladores de partículas de matéria escura - componentes hipotéticos de matéria escura invisível, que responde por 85 por cento de toda a matéria do universo.

"Desde o lançamento da Fermi em 2008, o LAT fez uma série de descobertas importantes de emissões de raios gama de fontes exóticas em nossa galáxia e além, "diz Robert Cameron, chefe do LAT Instrument Science Operations Center (ISOC) no SLAC. O LAT já coletou centenas de vezes mais raios gama do que o instrumento EGRET da geração anterior no Compton Gamma-ray Observatory da NASA - um avanço que aprofundou tremendamente os insights sobre a produção dessa radiação energética.

Habilitando a descoberta

Entre as descobertas do LAT estão mais de 200 pulsares - girando rapidamente, núcleos altamente magnetizados de estrelas colapsadas que eram até 30 vezes mais massivas que o sol. Antes do lançamento de Fermi, apenas sete desses objetos emitiam raios gama. Conforme os pulsares giram em torno de seu eixo, eles emitem "feixes" de raios gama como faróis cósmicos. Muitos pulsares giram várias centenas de vezes por segundo - isso é dezenas de milhões de vezes mais rápido do que a rotação da Terra.

"Compreender os pulsares nos fala sobre a evolução das estrelas porque eles são um possível ponto final na vida de uma estrela, "Cameron diz." Os dados do LAT nos levaram a revisar totalmente nossa compreensão de como os pulsares emitem raios gama. "

O LAT também mostrou pela primeira vez que as novas - explosões termonucleares na superfície de estrelas que acumularam material de estrelas vizinhas - podem emitir raios gama. Esses dados fornecem novos detalhes sobre a física das estrelas ardentes, que é um processo crucial para a síntese de elementos químicos no universo.

Fontes de raios gama ainda mais exóticas detectadas pelo LAT são microquasares. Esses objetos são análogos do tamanho de uma estrela de núcleos galácticos ativos, com gás girando em torno de um buraco negro no centro. À medida que o buraco negro devora matéria de seus arredores, ele ejeta jatos de partículas carregadas viajando quase tão rápido quanto a luz para o espaço, gerando feixes de raios gama no processo.

Em uma escala galáctica, tal mecanismo de ejeção poderia ter produzido o que é conhecido como bolhas de Fermi - duas áreas gigantes acima e abaixo do centro do disco de nossa galáxia, a Via Láctea, que brilham em raios gama. Descoberto pelo LAT em 2010, essas bolhas sugerem que o buraco negro supermassivo no centro de nossa galáxia já foi mais ativo do que é hoje.

Os pesquisadores também usam o LAT para pesquisar sinais de partículas de matéria escura nas regiões centrais da Via Láctea e outras galáxias. As teorias preveem que as partículas hipotéticas produziriam raios gama quando decaem ou colidem e se destroem.

“Com a sensibilidade que alcançamos com o LAT, devemos, em princípio, ser capazes de ver essas assinaturas de matéria escura, "diz Seth Digel do SLAC, que lidera o grupo Fermi no Instituto Kavli de Astrofísica e Cosmologia de Partículas (KIPAC), um instituto conjunto da Universidade de Stanford e SLAC. "Mas não encontramos nenhum sinal conclusivo ainda, e até agora os dados do LAT também podem ser explicados com outras fontes astrofísicas. "

Finalmente, o LAT explorou fontes de raios gama mais perto de casa, incluindo raios gama produzidos por tempestades na atmosfera da Terra, por explosões solares e até por partículas carregadas que atingem a superfície da lua.

Encontrar agulhas em um palheiro

De sua localização em Fermi, a uma altitude de 330 milhas, o LAT vê 20% do céu a qualquer momento. A cada duas órbitas - cada uma leva cerca de 95 minutos - o instrumento coleta os dados necessários para um mapa de raios gama de todo o céu.

Mas identificar os sinais certos para o mapa é um pouco como encontrar agulhas em um palheiro:para cada fóton de raios gama, the LAT sees many more high-energy charged particles, called cosmic rays. Most of these background signals are rejected right away by hardware triggers and software filters in the LAT on Fermi, which reduces the rate of signals from 10, 000 to 400 per second.

The remaining data are compressed, transmitted back to Earth and sent to NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, where they get separated into three different datasets for the LAT, the GBM (Fermi's second scientific instrument, which monitors short-lived gamma-ray bursts) and spacecraft data.

The LAT data are transferred to the LAT ISOC at SLAC, where 1, 000 computer cores automatically analyze the data stream and filter out even more background signals. 70 percent of all detected gamma rays are from Earth's atmosphere, leaving only two to three extraterrestrial gamma-ray signals per second out of the 10, 000 initial detector events. These data are then sent back to NASA Goddard, where they are made publicly available for further analysis.

"The ISOC receives about 15 deliveries of LAT data throughout the day for a total of 16 gigabytes or three DVDs worth of data every day, " Cameron says. "For each delivery, the entire process – from the time the data leave Fermi to the time the gamma rays get deposited in the public archive – takes about four hours."

Próximo ano, the Fermi mission will reach its 10-year operations goal. What happens after that will largely depend on funding.

"With no successor mission planned, the LAT is in many ways irreplaceable, particularly for studies of low-energy gamma rays, " Digel says. "The telescope is still going strong after all these years, and there is a lot of science left to be done."

An important new role for the LAT is to search for gamma-ray sources associated with gravitational wave events. These ripples in space-time occur, por exemplo, when two black holes merge into a single one, as recently observed by the LIGO detector. This opens up the completely new field of gravitational wave astrophysics.

The LAT ISOC is a department in KIPAC and the Particle Astrophysics and Cosmology Division of SLAC. KIPAC researchers contribute to the international Fermi LAT Collaboration, whose research is funded by NASA and the DOE Office of Science, as well as agencies and institutes in France, Itália, Japan and Sweden.