Telescópio Fermi da NASA confirma destruição estelar como fonte de partículas cósmicas extremas

Ilustração do Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA em ação. Crédito:Laboratório de imagens conceituais do Goddard Space Flight Center da NASA

Os astrônomos há muito procuram os locais de lançamento de alguns dos prótons de maior energia em nossa galáxia. Agora, um estudo usando 12 anos de dados do Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA confirma que um remanescente de supernova é exatamente esse lugar.
Fermi mostrou que as ondas de choque das estrelas explodidas impulsionam as partículas a velocidades comparáveis à da luz. Chamadas de raios cósmicos, essas partículas assumem principalmente a forma de prótons, mas podem incluir núcleos atômicos e elétrons. Como todos eles carregam uma carga elétrica, seus caminhos ficam confusos à medida que passam pelo campo magnético da nossa galáxia. Como não podemos mais dizer de que direção eles se originaram, isso mascara seu local de nascimento. Mas quando essas partículas colidem com o gás interestelar perto do remanescente da supernova, elas produzem um brilho revelador em raios gama – a luz de maior energia que existe.

"Os teóricos pensam que os prótons de raios cósmicos de maior energia na Via Láctea atingem um milhão de bilhões de elétron-volts, ou energias PeV", disse Ke Fang, professor assistente de física da Universidade de Wisconsin, Madison. “A natureza precisa de suas fontes, que chamamos de PeVatrons, tem sido difícil de definir”.

Presas por campos magnéticos caóticos, as partículas atravessam repetidamente a onda de choque da supernova, ganhando velocidade e energia a cada passagem. Eventualmente, o remanescente não pode mais segurá-los e eles voam para o espaço interestelar.

Impulsionados para cerca de 10 vezes a energia reunida pelo acelerador de partículas mais poderoso do mundo, o Grande Colisor de Hádrons, os prótons PeV estão prestes a escapar completamente de nossa galáxia.

Explore como os astrônomos localizaram um remanescente de supernova que dispara prótons a energias 10 vezes maiores do que o acelerador de partículas mais poderoso da Terra. Crédito:Goddard Space Flight Center da NASA

Os astrônomos identificaram alguns PeVatrons suspeitos, incluindo um no centro de nossa galáxia. Naturalmente, os remanescentes de supernovas estão no topo da lista de candidatos. No entanto, dos cerca de 300 remanescentes conhecidos, apenas alguns foram encontrados emitindo raios gama com energias suficientemente altas.

Um naufrágio de uma estrela em particular atraiu muita atenção dos astrônomos de raios gama. Chamado G106.3+2.7, é uma nuvem em forma de cometa localizada a cerca de 2.600 anos-luz de distância na constelação de Cepheus. Um pulsar brilhante cobre a extremidade norte do remanescente de supernova, e os astrônomos pensam que ambos os objetos se formaram na mesma explosão.

O Telescópio de Grande Área de Fermi, seu instrumento primário, detectou raios gama de bilhões de elétrons-volts (GeV) de dentro da cauda estendida do remanescente. (Para comparação, a energia da luz visível mede entre cerca de 2 e 3 elétron-volts.) O Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) no Observatório Fred Lawrence Whipple no sul do Arizona registrou raios gama de energia ainda mais alta da mesma região. E tanto o Observatório de Raios Gama Cherenkov de Água de Alta Altitude no México quanto o Experimento AS-Gamma do Tibete na China detectaram fótons com energias de 100 trilhões de elétron-volts (TeV) da área sondada por Fermi e VERITAS.

"Este objeto tem sido uma fonte de interesse considerável há algum tempo, mas para coroá-lo como um PeVatron, temos que provar que está acelerando prótons", explicou o coautor Henrike Fleischhack da Universidade Católica da América em Washington e Goddard Space da NASA. Flight Center em Greenbelt, Maryland. "O problema é que os elétrons acelerados a algumas centenas de TeV podem produzir a mesma emissão. Agora, com a ajuda de 12 anos de dados do Fermi, achamos que fizemos o caso de que G106.3+2.7 é de fato um PeVatron."

Um artigo detalhando as descobertas, liderado por Fang, foi publicado em 10 de agosto na revista Physical Review Letters .

Esta sequência compara os resultados do Fermi em três faixas de energia. Pulsar J2229+6114 é a fonte brilhante no topo, a ponta norte do remanescente de supernova G106.3+2.7 (delineado em verde). Em cada faixa de energia, a sequência mostra primeiro o número de raios gama e depois as quantidades em excesso comparadas com as expectativas de um modelo de fundo. Cores mais brilhantes indicam maior número de raios gama ou quantidades excessivas. Nas energias mais altas, surge uma nova fonte de raios gama, produzidos quando prótons acelerados pela onda de choque da supernova atingem uma nuvem de gás próxima. Crédito:NASA / Fermi / Fang et al. 2022

O pulsar, J2229+6114, emite seus próprios raios gama em um farol semelhante a um farol enquanto gira, e esse brilho domina a região com energias de alguns GeV. A maior parte dessa emissão ocorre na primeira metade da rotação do pulsar. A equipe efetivamente desligou o pulsar analisando apenas os raios gama que chegam da última parte do ciclo. Abaixo de 10 GeV, não há emissão significativa da cauda do remanescente.

Acima desta energia, a interferência do pulsar é insignificante e a fonte adicional torna-se prontamente aparente. A análise detalhada da equipe favorece predominantemente os prótons PeV como as partículas que conduzem essa emissão de raios gama.

“Até agora, G106.3+2.7 é único, mas pode vir a ser o membro mais brilhante de uma nova população de remanescentes de supernovas que emitem raios gama atingindo energias TeV”, observa Fang. "Mais deles podem ser revelados através de observações futuras do Fermi e observatórios de raios gama de energia muito alta."

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