Por décadas, os pesquisadores presumiram que os raios cósmicos que regularmente bombardeiam a Terra desde os confins da galáxia nascem quando as estrelas se transformam em supernovas - quando crescem muito para suportar a fusão que ocorre em seus núcleos e explodem.

Essas explosões gigantescas realmente impulsionam as partículas atômicas à velocidade da luz a grandes distâncias. Contudo, novas pesquisas sugerem que mesmo as supernovas - capazes de devorar sistemas solares inteiros - não são fortes o suficiente para imbuir as partículas com as energias sustentadas necessárias para atingir os petaeletronvolts (PeVs), a quantidade de energia cinética alcançada por raios cósmicos de altíssima energia.

E, no entanto, raios cósmicos foram observados atingindo a atmosfera da Terra exatamente nessas velocidades, sua passagem marcada, por exemplo, pelos tanques de detecção no observatório High-Altitude Water Cherenkov (HAWC) perto de Puebla, México. Em vez de supernovas, os pesquisadores postulam que aglomerados de estrelas como o Cygnus Cocoon servem como PeVatrons - aceleradores PeV - capazes de mover partículas através da galáxia em taxas de energia tão altas.

Sua pesquisa de mudança de paradigma fornece evidências convincentes de que as regiões de formação de estrelas são PeVatrons e está publicada em dois artigos recentes em Astronomia da Natureza e Cartas de jornal astrofísico .

Uma característica da pesquisa em física é o quão colaborativa ela é. A pesquisa foi conduzida por Petra Huentemeyer, professor de física da Michigan Technological University, junto com a recém-formada Binita Hona '20, estudante de doutorado Dezhi Huang, ex-pós-doutorado da MTU Henrike Fleischhack (agora na Universidade Católica / NASA GSFC / CRESST II), Sabrina Casanova, do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências de Cracóvia, Ke Fang da Universidade de Wisconsin e Roger Blanford de Stanford, junto com vários outros colaboradores do Observatório HAWC.

Huentemeyer observou que o HAWC e os físicos de outras instituições mediram os raios cósmicos de todas as direções e por muitas décadas de energia. É rastrear os raios cósmicos com a maior energia conhecida, PeVs, que sua origem se torna tão importante.

"Acredita-se que os raios cósmicos abaixo da energia PeV vêm de nossa galáxia, mas a questão é quais são os aceleradores que podem produzi-los, "Huentemeyer disse.

Fleischhack disse que a mudança de paradigma que os pesquisadores descobriram é que antes, os cientistas pensaram que os remanescentes de supernovas eram os principais aceleradores dos raios cósmicos.

"Eles aceleram os raios cósmicos, mas eles não são capazes de chegar às energias mais elevadas, " ela disse.

Então, o que está conduzindo a aceleração dos raios cósmicos à energia PeV?

"Tem havido vários outros indícios de que os aglomerados de estrelas podem fazer parte da história, "Fleischhack disse." Agora estamos recebendo a confirmação de que eles são capazes de atingir as energias mais elevadas. "

Aglomerados de estrelas são formados a partir dos restos de um evento de supernova. Conhecidos como berços estelares, eles contêm ventos violentos e nuvens de destroços rodopiantes - como aqueles observados pelos pesquisadores em Cygnus OB2 e cluster [BDS2003] 8. Dentro, vários tipos de estrelas massivas conhecidas como estrelas espectrais do tipo O e do tipo B são reunidas às centenas em uma área de cerca de 30 parsecs (108 anos-luz) de diâmetro.

"Estrelas espectrais do tipo O são as mais massivas, "Hona disse." Quando seus ventos interagem uns com os outros, ondas de choque se formam, que é onde a aceleração acontece. "

Os modelos teóricos dos pesquisadores sugerem que os fótons energéticos de raios gama vistos pelo HAWC são mais provavelmente produzidos por prótons do que por elétrons.

"Usaremos telescópios da NASA para pesquisar a emissão de contrapartida por essas partículas relativísticas em energias mais baixas, "Fang disse.

A energia extremamente alta com que os raios cósmicos atingem nosso planeta é notável. São necessárias condições específicas para acelerar as partículas a tais velocidades.

Quanto maior a energia, mais difícil é confinar as partículas - conhecimento obtido de aceleradores de partículas aqui na Terra em Chicago e na Suíça. Para evitar que as partículas voem para longe, o magnetismo é necessário.

Aglomerados estelares - com sua mistura de vento e estrelas nascentes, mas poderosas - são regiões turbulentas com diferentes campos magnéticos que podem fornecer o confinamento necessário para que as partículas continuem a acelerar.

"Os remanescentes de supernovas têm choques muito rápidos onde os raios cósmicos podem ser acelerados; no entanto, eles não têm o tipo de longas regiões de confinamento, "Casanova disse." É para isso que os aglomerados de estrelas são úteis. Eles são uma associação de estrelas que podem criar distúrbios que confinam os raios cósmicos e possibilitam que os choques os acelerem. "

Mas como é possível medir as interações atômicas em escala galáctica 5, 000 anos-luz da Terra? Os pesquisadores usaram 1, 343 dias de medições em tanques de detecção HAWC.

Huang explicou como os físicos do HAWC traçam os raios cósmicos medindo os raios gama que esses raios cósmicos produzem em locais de aceleração galáctica:"Não medimos os raios gama diretamente; medimos os raios secundários gerados. Quando os raios gama interagem com a atmosfera, eles geram partículas secundárias em chuvas de partículas. "

"Quando chuvas de partículas são detectadas no HAWC, podemos medir o chuveiro e a carga de partículas secundárias, "Huang disse." Usamos a carga da partícula e as informações de tempo para reconstruir as informações da gama primária. "

Além do HAWC, os pesquisadores planejam trabalhar com o Observatório de raios gama de campo amplo do sul (SWGO), um observatório atualmente em fase de planejamento que contará com detectores de luz Cherenkov como HAWC, mas estará localizado no hemisfério sul.

“Seria interessante ver o que podemos ver no hemisfério sul, "Huentemeyer disse." Teremos uma boa visão do centro galáctico que não temos no hemisfério norte. SWGO pode nos dar muito mais candidatos em termos de aglomerados de estrelas. "

Futuras colaborações entre os hemisférios prometem ajudar os cientistas ao redor do mundo a continuar a explorar as origens dos raios cósmicos e aprender mais sobre a própria galáxia.