Em artigo publicado hoje na revista Ciência , a colaboração Pierre Auger respondeu definitivamente à questão de saber se as partículas cósmicas de fora da galáxia da Via Láctea. O artigo, intitulado "Observação de uma anisotropia em grande escala nas direções de chegada de raios cósmicos acima de 8 × 1018 eV", observa que estudar a distribuição das direções de chegada dos raios cósmicos é o primeiro passo para determinar a origem das partículas extragalácticas.

Os cientistas colaboradores foram capazes de fazer suas gravações usando o maior observatório de raios cósmicos já construído, o Observatório Pierre Auger na Argentina. Incluídos nesta colaboração estão David Nitz e Brian Fick, professores de física da Michigan Technological University.

"Agora estamos consideravelmente mais perto de resolver o mistério de onde e como essas partículas extraordinárias são criadas, uma questão de grande interesse para os astrofísicos, "diz Karl-Heinz Kampert, professor da Universidade de Wuppertal na Alemanha e porta-voz da Colaboração Auger, que envolve mais de 400 cientistas de 18 países.

Os raios cósmicos são os núcleos dos elementos do hidrogênio ao ferro. Estudá-los dá aos cientistas uma maneira de estudar a matéria de fora do nosso sistema solar - e agora, fora de nossa galáxia. Os raios cósmicos nos ajudam a entender a composição das galáxias e os processos que ocorrem para acelerar os núcleos a quase a velocidade da luz. Ao estudar os raios cósmicos, os cientistas podem vir a entender quais mecanismos criam os núcleos.

O astrônomo Carl Sagan disse uma vez:"O nitrogênio em nosso DNA, o cálcio em nossos dentes, o ferro em nosso sangue, o carbono em nossas tortas de maçã foi feito no interior de estrelas em colapso. Somos feitos de matéria estelar. "

Para simplificar, compreender os raios cósmicos e onde eles se originam pode nos ajudar a responder questões fundamentais sobre as origens do universo, nossa galáxia e nós mesmos.

Incrivelmente enérgico e viajante distante

É extremamente raro que raios cósmicos com energia superior a dois joules atinjam a Terra; a taxa de chegada ao topo da atmosfera é de apenas um por quilômetro quadrado por ano, o equivalente a um raio cósmico atingindo uma área do tamanho de um campo de futebol cerca de uma vez por século.

Um joule é uma medida de energia; um joule é equivalente a um 3, 600º de um watt-hora. Quando uma única partícula de raio cósmico atinge a atmosfera da Terra, essa energia é depositada em alguns milionésimos de segundo.

Essas partículas raras são detectáveis ​​porque criam chuvas de elétrons, fótons e múons por meio de interações sucessivas com os núcleos da atmosfera. Esses chuveiros se espalham, varrendo a atmosfera na velocidade da luz em uma estrutura semelhante a um disco, como um prato gigante, vários quilômetros de diâmetro. Eles contêm mais de 10 bilhões de partículas.

No Observatório Pierre Auger, raios cósmicos são detectados medindo a luz Cherenkov - radiação eletromagnética emitida por partículas carregadas que passam por um meio, como água, em maior do que a velocidade de fase da luz nesse meio. A equipe mede a luz Cherenkov produzida em um detector, que é uma grande estrutura de plástico que contém 12 toneladas de água. Eles captam um sinal em alguns detectores dentro de uma matriz de 1, 600 detectores.

Os detectores estão espalhados por 3, 000 quilômetros quadrados perto da cidade de Malargüe, no oeste da Argentina, uma área comparável em tamanho a Rhode Island. Os tempos de chegada das partículas aos detectores, medido com receptores GPS, são usados ​​para determinar a direção da qual as partículas vieram dentro de aproximadamente um grau.

Ao estudar a distribuição das direções de chegada de mais de 30, 000 partículas cósmicas, a colaboração Auger descobriu uma anisotropia, que é a diferença na taxa de chegadas de raios cósmicos dependendo da direção para a qual você olha. Isso significa que os raios cósmicos não vêm uniformemente de todas as direções; há uma direção a partir da qual a taxa é mais alta.

A anisotropia é significativa em 5,2 desvios-padrão (uma chance de cerca de dois em dez milhões) em uma direção onde a distribuição de galáxias é relativamente alta. Embora esta descoberta indique claramente uma origem extragalática para as partículas, as fontes específicas dos raios cósmicos ainda são desconhecidas.

A direção aponta para uma ampla área do céu, em vez de fontes específicas, porque mesmo essas partículas energéticas são desviadas por algumas dezenas de graus no campo magnético de nossa galáxia.

Tem havido raios cósmicos observados com energia ainda mais alta aqueles usados ​​no estudo da Colaboração Pierre Auger, alguns até com a energia cinética de uma bola de tênis bem rebatida. Como as deflexões de tais partículas devem ser menores por causa de sua energia mais alta, as direções de chegada devem apontar mais perto de seus locais de nascimento. Esses raios cósmicos são ainda mais raros e estudos adicionais estão em andamento para determinar quais objetos extragalácticos são as fontes.

O conhecimento da natureza das partículas ajudará nessa identificação, e a continuação do trabalho neste problema é direcionada para a atualização do Observatório Auger a ser concluída em 2018.

É preciso uma aldeia (global)

Conduzir este calibre de ciência não é tarefa de um indivíduo. Mais de 400 cientistas contribuíram para a pesquisa. Na Michigan Tech, David Nitz, professor de física, contribui com a eletrônica que registra os sinais nas caixas d'água. Ele escreveu o código que está programado nos circuitos, que converte a luz Cherenkov nos detectores do tanque de água em sinais digitais. Isso permite que o hardware tome decisões muito rápidas sobre os sinais registrados nos tanques e se eles valem uma análise mais aprofundada.

"Eu realmente gosto desse tipo de ciência. Mas eu sou um cara prático, "Nitz diz." Eu visualizo como vamos do conceito à construção de um instrumento para que possamos abordar essa ciência. É isso que tenho feito durante toda a minha carreira científica:respondendo como abordamos essas medidas. "

Parte da atualização do Observatório Auger é substituir as placas de circuito mais antigas por outras mais novas, que têm maior capacidade de processar sinais com mais rapidez e precisão, e incorporar os sinais de detectores adicionais. Esses detectores adicionais incluem um detector de cintilador acima de cada detector de superfície, e adicionar um quarto tubo fotomultiplicador a cada detector.