O Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) descobriu uma estrutura gigante de bolhas de raios gama de ultra-alta energia na região de formação estelar Cygnus, que é a primeira vez que a origem de raios cósmicos com energia superior a 10 Peta- O elétron-volt (PeV) foi descoberto. Essa conquista foi publicada na forma de um artigo de capa no Science Bulletin em 26 de fevereiro.



A pesquisa foi concluída pela Colaboração LHAASO liderada pelo Prof. Cao Zhen como porta-voz do Instituto de Física de Altas Energias da Academia Chinesa de Ciências. Li Cong, Prof. Liu Ruoyu e Prof. Yang Ruizhi são os co-autores correspondentes do artigo.

Os raios cósmicos são partículas carregadas do espaço sideral, compostas principalmente de prótons. A origem dos raios cósmicos é uma das questões fronteiriças mais importantes da astrofísica moderna. Medições de raios cósmicos nas últimas décadas revelaram uma quebra em torno de 1 PeV no espectro de energia (ou seja, a distribuição da abundância de raios cósmicos em função da energia das partículas), que é chamada de "joelho" do espectro de energia dos raios cósmicos devido ao seu formato semelhante a uma articulação do joelho.

Os cientistas acreditam que os raios cósmicos com energia inferior ao "joelho" se originam de objetos astrofísicos dentro da Via Láctea, e a existência do "joelho" também indica que o limite de energia para acelerar prótons da maioria das fontes de raios cósmicos na Via Láctea está em torno de alguns PeV. No entanto, a origem dos raios cósmicos na região do “joelho” ainda é um mistério não resolvido e um dos tópicos mais intrigantes na pesquisa dos raios cósmicos nos últimos anos.

LHAASO descobriu uma estrutura gigante de bolha de raios gama de ultra-alta energia na região de formação estelar Cygnus, com múltiplos fótons excedendo 1 PeV dentro da estrutura, com a energia mais alta atingindo 2,5 PeV, indicando a presença de um super acelerador de raios cósmicos dentro da bolha, que acelera continuamente partículas de raios cósmicos de alta energia com energias de até 20 PeV e as injeta no espaço interestelar.

Esses raios cósmicos de alta energia colidem com o gás interestelar e produzem raios gama. A intensidade destes fotões de raios gama está claramente correlacionada com a distribuição do gás circundante, e o aglomerado estelar massivo (a associação OB, Cygnus OB2) perto do centro da bolha é o candidato mais promissor para o super acelerador de raios cósmicos. Cygnus OB2 é composto por muitas estrelas jovens, quentes e massivas com temperaturas de superfície superiores a cerca de 35.000 °C (estrelas do tipo O) e 15.000 °C (estrelas do tipo B).

A luminosidade da radiação destas estrelas é centenas a milhões de vezes a do Sol, e a enorme pressão da radiação sopra para longe o material da superfície das estrelas, formando ventos estelares dinâmicos com velocidades de até milhares de quilómetros por segundo. A colisão dos ventos estelares com o meio interestelar circundante e a violenta colisão entre os ventos estelares criaram locais ideais para uma aceleração eficiente das partículas.

Este é o primeiro superacelerador de raios cósmicos identificado até agora. Com o aumento do tempo de observação, espera-se que o LHAASO detecte mais superaceleradores de raios cósmicos e, esperançosamente, resolva o mistério da origem dos raios cósmicos na Via Láctea.

A observação do LHAASO também indicou que o superacelerador de raios cósmicos dentro da bolha aumenta significativamente a densidade dos raios cósmicos no espaço interestelar circundante, excedendo em muito o nível médio de raios cósmicos na Via Láctea. A extensão espacial do excesso de densidade excede até mesmo a faixa observada de bolhas, fornecendo uma possível explicação para o excesso de emissão difusa de raios gama do Plano Galáctico previamente detectado pelo LHAASO.

A professora Elena Amato, astrofísica do Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF), destacou o impacto da descoberta na origem dos Raios Cósmicos em geral. Ela também comentou que a descoberta “não só impacta a nossa compreensão da emissão difusa, mas também tem consequências muito relevantes na nossa descrição do transporte de raios cósmicos (CR) na galáxia”.

LHAASO é uma infraestrutura científica e tecnológica chave focada na pesquisa de raios cósmicos, localizada a uma altitude de 4.410 metros no Monte Haizi, no condado de Daocheng, província de Sichuan, China. É um conjunto composto composto por um conjunto terrestre de um quilômetro quadrado de 5.216 detectores de partículas eletromagnéticas e 1.188 detectores de múons, um conjunto de detectores Cherenkov de água de 78.000 metros quadrados e 18 telescópios Cherenkov de grande angular.

O LHAASO foi concluído em julho de 2021 e iniciou uma operação estável e de alta qualidade depois disso. É o dispositivo de detecção de raios gama de ultra-alta energia mais sensível do mundo. A instalação é operada pelo Instituto de Física de Altas Energias e adota um modelo universal de cooperação internacional para alcançar o compartilhamento aberto de plataformas de instalações e dados observacionais. Atualmente, 32 instituições de pesquisa astrofísica nacionais e estrangeiras tornaram-se membros de colaboração internacional do LHAASO, com aproximadamente 280 membros.

Mais informações: Colaboração LHAASO, uma bolha de raios γ de energia ultra-alta alimentada por um super PeVatron, Science Bulletin (2023). DOI:10.1016/j.scib.2023.12.040
Fornecido pela Academia Chinesa de Ciências