Astrônomos chocados com misterioso raio cósmico de ultra-alta energia – “O que está acontecendo?”

Astrofísicos da Universidade de Utah e do conjunto de telescópios detectaram raios cósmicos com energias além dos limites teóricos, desafiando a compreensão atual da física de partículas. Estas descobertas, incluindo as partículas Oh-My-God e Amaterasu, apontam para fenómenos cósmicos desconhecidos e são o foco de investigação em curso.

Ao lado da partícula Oh-My-God, a recém-nomeada partícula Amaterasu aprofunda o mistério da origem, propagação e física de partículas de raros raios cósmicos de energia ultra-alta.

Em 1991, o experimento ocular da Universidade de Utah detectou os raios cósmicos de maior energia já observados. Mais tarde chamada de partícula oh meu Deus, a energia dos raios cósmicos chocou os astrofísicos. Nada na nossa galáxia tem energia para produzi-lo, e a partícula tinha mais energia do que é teoricamente possível para os raios cósmicos que viajam para a Terra vindos de outras galáxias. Simplificando, não deveria haver nenhuma partícula.

Mistérios da Astronomia

O conjunto de telescópios observou mais de 30 raios cósmicos de energia ultra-alta, embora nenhum tenha se aproximado do nível de energia, meu Deus. Nenhuma observação revelou ainda a sua origem ou como poderiam viajar para a Terra.

A partícula de ametista atingiu a atmosfera da Terra

Representação artística de um raio cósmico altamente energético observado pelo Surface Detection Array do Telescope Array Experiment, apelidado de “partícula Amaterasu”. Crédito: Universidade Metropolitana de Osaka/L-Inside, Universidade de Kyoto/Ryunosuke Takeshige

Em 27 de maio de 2021, o experimento Telescope Array detectou o segundo raio cósmico de maior intensidade. 2,4 x 10 pol.20eV, a energia desta única partícula subatômica é equivalente a deixar cair um tijolo no dedo do pé, na altura da cintura. Liderado pela Universidade de Utah (U) e pela Universidade de Tóquio, o conjunto de telescópios consiste em 507 estações de detecção de superfície cobrindo uma grade quadrada de 700 km.2 (~270 milhas2Utah, no deserto a oeste do estado, fora do Delta. O evento acionou 23 detectores na parte noroeste do conjunto de telescópios, a 48 km de distância.2 (18,5 milhas2) cuja direção de chegada se origina do vazio local, a região vazia na fronteira do espaço via Láctea Galáxia.

“As partículas são tão energéticas que não deveriam ser afetadas por campos magnéticos galácticos e extraestelares. Você pode identificar de onde elas vêm no céu”, disse John Matthews, co-porta-voz do conjunto de telescópios dos EUA e co-autor de o estudo. “Mas a partícula, meu Deus, e esta nova. No caso da partícula, você traça seu caminho de volta à sua fonte, e não há energia alta o suficiente para criá-la. Esse é o mistério: o que está acontecendo?”

Partícula Amaterasu

Em sua observação publicada na revista em 24 de novembro de 2023 Ciência, uma colaboração internacional de pesquisadores descreveu o raio cósmico de ultra-alta energia, avaliou suas características e concluiu que é um fenômeno raro que segue a física de partículas desconhecida pela ciência. Os pesquisadores a chamaram de partícula Amaterasu em homenagem à deusa do sol na mitologia japonesa. As partículas Oh-My-God e Amaterasu foram detectadas usando diferentes técnicas de observação, confirmando que, embora raros, estes eventos de energia ultra-elevada são reais.

Astronomia de raios cósmicos de ultra-alta energia

Ilustração do astrônomo de um raio cósmico de ultra-alta energia para elucidar fenômenos mais energéticos, em oposição a um raio cósmico mais fraco atingido por campos eletromagnéticos. Crédito: Universidade Metropolitana de Osaka/Universidade de Kyoto/Ryunosuke Takeshige

“Esses eventos parecem vir de lugares completamente diferentes no céu. Não é como se houvesse uma fonte misteriosa, “disse John Bells, professor da U e coautor do estudo. “Podem ser falhas na estrutura do espaço-tempo, colidindo cordas cósmicas.” Quer dizer, eu cuspo as ideias malucas que as pessoas têm porque não há explicação convencional.

Aceleradores de partículas da natureza

Os raios cósmicos são ecos de eventos celestes violentos que desmancham a matéria até às suas estruturas subatómicas e se espalham pelo Universo quase à velocidade da luz. Basicamente, os raios cósmicos são partículas carregadas com uma ampla gama de energias, consistindo de prótons positivos, elétrons negativos ou núcleos inteiros que viajam pelo espaço e chovem continuamente na Terra.

Os raios cósmicos atingem a atmosfera superior da Terra e destroem os núcleos do gás oxigênio e nitrogênio, criando muitas partículas secundárias. Estas viajam alguma distância na atmosfera e repetem o processo, criando uma chuva de bilhões de partículas secundárias que se espalham pela superfície. A área ocupada por esta chuva secundária é enorme e requer detectores para cobrir uma área tão grande quanto um conjunto de telescópios. Os detectores de superfície usam um conjunto de instrumentos que fornecem aos pesquisadores informações sobre cada raio cósmico; O tempo do sinal mostra o seu caminho e a quantidade de partículas carregadas que atingem cada detector revela a energia da partícula primária.

Como as partículas têm carga elétrica, sua trajetória de vôo se assemelha a uma bola em uma máquina de pinball enquanto ziguezagueiam contra os campos eletromagnéticos da radiação cósmica de fundo. É quase impossível traçar o caminho da maioria dos raios cósmicos, que estão na extremidade baixa a média do espectro de energia. Mesmo os raios cósmicos de alta energia são distorcidos pela radiação de fundo das micro-ondas. Partículas com energia Oh-My-God e Amaterasu são relativamente flexíveis no espaço intergaláctico. Somente o mais poderoso dos fenômenos celestes pode produzi-los.

“Coisas que as pessoas pensam que são energéticas, como uma supernova, não têm energia suficiente para isso. É necessária muita energia, muitos campos magnéticos, para controlar a partícula à medida que ela acelera”, disse Matthews.

O mistério dos raios cósmicos de ultra-alta energia

Os raios cósmicos de ultra-alta energia devem ser superiores a 5 x 1019 E.V. Isto significa que uma partícula subatômica tem a mesma energia cinética que a bola rápida de um arremessador da liga principal e milhões de vezes mais energia do que qualquer acelerador de partículas feito pelo homem pode alcançar. Os astrofísicos calcularam este limite teórico, conhecido como corte Griesen-Satzepin-Kuzmin (GZK), porque é a energia máxima na qual um próton pode percorrer a maior distância antes que as interações da radiação de fundo de micro-ondas ganhem sua energia. Candidatos a fontes conhecidas, como núcleos galácticos ativos ou buracos negros com discos de acreção que emitem jatos de partículas, estão a 160 milhões de anos-luz de distância da Terra. A nova partícula é 2,4 x 1020 eV e 3,2 x 10 partícula O-meu-deus20 eV excede facilmente o ponto de corte.

Os pesquisadores examinam a composição dos raios cósmicos em busca de pistas sobre sua origem. Uma partícula mais pesada, como os núcleos de ferro, é mais pesada, mais carregada e mais capaz de se curvar em um campo magnético do que partículas mais leves feitas de prótons de hidrogênio. Átomo. A nova partícula pode ser um próton. Um raio cósmico com energias além do corte GZK da física de partículas, a radiação de fundo em micro-ondas é poderosa o suficiente para distorcer seu caminho, mas seu caminho aponta de volta para o espaço vazio.

“Talvez os campos magnéticos sejam mais fortes do que pensávamos, mas isto não concorda com outras observações que mostram que não são fortes o suficiente para produzir curvaturas significativas nestas energias de dez a vigésimo elétron-volt”, disse Bells. “É um verdadeiro mistério.”

Expandindo a pesquisa e o conjunto de telescópios

O Matriz telescópica Ele está posicionado de forma única para detectar raios cósmicos de energia ultra-alta. Está a cerca de 1.200 m (4.000 pés), o ponto ideal de altura onde as partículas secundárias permitem o crescimento máximo, mas antes de começarem a decair. A sua localização no deserto ocidental do Utah proporciona condições atmosféricas ideais de duas maneiras: o ar seco é importante porque a humidade absorve a luz ultravioleta necessária para a detecção; E os céus escuros da região são necessários porque a poluição luminosa cria demasiado ruído e obscurece os raios cósmicos.

Os astrofísicos ainda estão intrigados com os fenômenos misteriosos. O conjunto de telescópios está no meio de uma expansão que eles esperam que ajude a resolver o caso. Quando concluídos, 500 novos detectores cintiladores irão expandir o conjunto de telescópios, medindo chuvas de partículas induzidas por raios cósmicos até 2.900 km.2 (1.100 milhas2 ), quase do tamanho de Rhode Island. Uma área maior captura mais eventos que esclarecem o que está acontecendo.

Saiba mais sobre esta descoberta:

Referência: “Raio cósmico mais energético observado por matriz de detecção de superfície” 23 de novembro de 2023, Ciência.
DOI: 10.1126/science.abo5095

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