Um observatório no topo de uma montanha no México, construído e operado por uma equipe internacional de cientistas, capturou a primeira visão grande angular de raios gama que emanam de duas estrelas que giram rapidamente. O Observatório de Raios Gama High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) forneceu uma nova perspectiva sobre o fluxo de luz de alta energia desses vizinhos estelares, lançando sérias dúvidas sobre uma possível explicação para um excesso misterioso de partículas de antimatéria perto da Terra.

Em 2008, os astrônomos observaram um número inesperadamente alto de pósitrons - os primos antimatéria dos elétrons - em órbita algumas centenas de quilômetros acima da atmosfera da Terra. Desde então, cientistas debateram a causa da anomalia, dividido em duas teorias concorrentes de sua origem. Alguns sugeriram uma explicação simples:as partículas extras podem vir de estrelas próximas colapsadas chamadas pulsares, que giram várias vezes por segundo e liberam elétrons, pósitrons e outras matérias com força violenta. Outros especularam que os pósitrons extras poderiam vir de processos envolvendo matéria escura - a substância invisível, mas penetrante, vista até agora apenas por meio de sua atração gravitacional.

Usando novos dados do observatório HAWC, os pesquisadores fizeram as primeiras medições detalhadas de dois pulsares previamente identificados como possíveis fontes do excesso de pósitrons. Ao capturar e contar partículas de luz fluindo desses motores estelares próximos, Os pesquisadores da colaboração do HAWC descobriram que os dois pulsares provavelmente não são a origem do excesso de pósitrons. Apesar de ter a idade certa e estar à distância certa da Terra, os pulsares são cercados por uma nuvem escura estendida que impede a maioria dos pósitrons de escapar, de acordo com resultados publicados em 17 de novembro, Edição de 2017 da revista Ciência .

"Esta nova medição é tentadora porque desfavorece fortemente a ideia de que esses pósitrons extras estão vindo para a Terra de dois pulsares próximos, pelo menos quando você assume um modelo relativamente simples de como pósitrons se difundem a partir dessas estrelas giratórias, "disse Jordan Goodman, professor de física da Universidade de Maryland e investigador principal e porta-voz dos EUA para a colaboração do HAWC. "Nossa medição não decide a questão em favor da matéria escura, mas qualquer nova teoria que tente explicar o excesso usando pulsares precisará explicar o que descobrimos. "

Francisco Salesa Greus, o principal autor correspondente do novo artigo e um cientista do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências em Cracóvia, Polônia, acrescentou que "estamos mais perto de compreender a origem do excesso de pósitrons depois de excluir dois dos principais candidatos à fonte."

Um olho no céu

Tal como acontece com uma câmera comum, coletar muita luz permite que o HAWC construa imagens nítidas de fontes individuais de raios gama. Os raios gama mais energéticos se originam nos cemitérios de grandes estrelas, em torno de restos estelares como os remanescentes pulsares giratórios de supernovas. Mas essa luz não vem das próprias estrelas. Em vez de, é criado quando o pulsar giratório acelera as partículas a energias extremamente altas, fazendo com que eles se chocassem com fótons de baixa energia que sobraram do universo primitivo.

O tamanho do campo de destroços em torno de poderosos pulsares, medido pelo pedaço de céu que brilha intensamente em raios gama, informa aos pesquisadores a rapidez com que a matéria se move em relação às estrelas giratórias. Isso permite aos pesquisadores estimar a rapidez com que os pósitrons estão se movendo e quantos pósitrons poderiam ter chegado à Terra de uma determinada fonte.

Usando um catálogo HAWC publicado recentemente sobre o céu de alta energia, os cientistas absolveram o pulsar Geminga e sua irmã - o pulsar PSR B0656 + 14 - como fontes do excesso de pósitrons. Mesmo que os dois sejam velhos o suficiente e próximos o suficiente para explicar o excesso, a matéria não está se afastando dos pulsares rápido o suficiente para chegar à Terra.

"As medidas de HAWC de raios gama demonstram que existem pósitrons de alta energia escapando dessas fontes, "disse Rubén López-Coto, um cientista do Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg, Alemanha e um autor correspondente. "Mas de acordo com nossa medição, eles não podem estar contribuindo significativamente para os pósitrons extras vistos na Terra. "

Esta medição não teria sido possível sem a visão ampla do HAWC. Ele examina continuamente cerca de um terço do céu acima, que forneceu aos pesquisadores uma visão ampla do espaço ao redor dos pulsares. Outros observatórios em busca de raios gama de alta energia com um campo de visão muito mais estreito não perceberam a natureza extensa dos pulsares.

O Observatório HAWC fica a uma altitude de 13, 500 pés, flanqueando o vulcão Sierra Negra dentro do Parque Nacional Pico de Orizaba, no estado mexicano de Puebla. Consiste em mais de 300 enormes tanques de água que aguardam cascatas de partículas iniciadas por pacotes de alta energia de luz chamados raios gama - muitos dos quais têm mais de 10 milhões de vezes a energia de um raio-X dentário.

Quando esses raios gama atingem a atmosfera superior, eles explodem átomos no ar, produzindo uma chuva de partículas que se move quase na velocidade da luz em direção ao solo. Quando este chuveiro atinge os tanques do HAWC, produz flashes coordenados de luz azul na água, permitindo aos pesquisadores reconstruir a energia e a origem cósmica do raio gama que deu início à cascata.

"Graças ao seu amplo campo de visão, HAWC fornece medições exclusivas sobre os perfis de raios gama de alta energia causados ​​pela difusão de partículas em torno de pulsares próximos, o que nos permite determinar a rapidez com que as partículas se difundem mais diretamente do que as medições anteriores, "diz Hao Zhou, um cientista do Laboratório Nacional de Los Alamos no Novo México e um autor correspondente do novo artigo.

É possível que um novo insight sobre a astrofísica desses pulsares e seus ambientes locais possa explicar o excesso de pósitrons na Terra, mas exigiria uma teoria mais complicada de difusão de pósitrons do que os físicos da colaboração pensam ser provável. Por outro lado, a matéria escura pode fornecer a explicação certa, mas, em última análise, serão necessárias mais evidências para decidir.